CN108649218A - 一种富Li/Na杂化离子电池正极材料、制备方法及应用 - Google Patents

一种富Li/Na杂化离子电池正极材料、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种富Li/Na杂化离子电池正极材料，化学式为NaxLi1.5‑xNi0.167Co0.167Mn0.67O2，所述正极材料的制备方法，包括以下步骤：按摩尔比1：1：4称取Ni2+、Co2+和Mn2+盐溶于去离子水中制备盐溶液，将碳酸钠溶于氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合进行共沉淀反应，控制反应体系的pH值为6～10，经分离、干燥制备镍钴锰的碳酸盐；将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛下预烧，制得镍钴锰的氧化物；称取碳酸钠、碳酸锂和镍钴锰的氧化物，混合后煅烧，制备得到富Li/Na杂化离子电池正极材料；所述正极材料具有高的比容量和优异的循环稳定性。

Description

一种富Li/Na杂化离子电池正极材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于能源材料技术领域，具体是一种富Li/Na杂化离子电池正极材料、制备方法及应用。
背景技术
随着能源匮乏与环境污染等问题的日趋严重，开发清洁可持续的新型能源成为了全世界科学家关注的重点。传统锂离子电池已成功应用于便携设备、航空航天等大规模储能领域。但是由于锂资源匮乏，且价格不断走高，如何开发一种绿色环保可再生且价格低廉的清洁能源引起了人们的广泛关注和研究。由于钠元素和锂元素处于同一主族，化学性质也最为相似且储量丰富价格低廉，因此研发一种钠离子电池正极材料便成为了近年来的研究热点。
近年来有很多具有优异性能的钠离子正极材料的报道，其中层状材料以其稳定的结构、可为钠离子提供最大维度的传输通道成为钠离子电池正极材料研究的主力军，如：一元层状材料NaxCoO2、二元层状材料NaNi0.5Mn0.5O2、三元层状材料NaxNi1/3Co1/3Mn1/3O2等，并且获得了较好的电化学性能。
富锂正极材料主要是由Li2MnO3与层状材料LiMO2(M＝Co,Fe,Ni0.5Mn1/2…)形成的固溶体，因其具有高的比容量(200～300mAh/g)、优秀的循环能力以及新的电化学充放电机制等优点而受到广泛关注。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种具有高容量充放电和优良循环性能的富Li/Na杂化离子电池正极材料；
本发明的另一目的在于提供上述正极材料的制备方法及应用。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种富Li/Na杂化离子电池正极材料，其化学式如下：
NaxLi1.5-xNi0.167Co0.167Mn0.67O2
其中，0＜x＜1.5。
优选的，0.5≤x≤1。
一种所述富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按摩尔比1：1：4分别称取Ni2+、Co2+和Mn2+盐溶于去离子水中制备盐溶液，将Na2CO3溶于氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合进行共沉淀反应，控制反应体系的pH值为6～10，经分离、干燥制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为y：9-y：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，混合后煅烧，制备得到所述富Li/Na杂化离子电池正极材料；其中0＜y＜9。
优选的，步骤(1)中所述氨水的浓度为0.2～0.3mol/L；所述共沉淀反应的温度为45～55℃。
优选的，步骤(1)中所述反应体系的pH值为7～9。
优选的，步骤(2)中所述预烧的温度为400～600℃。
优选的，所述预烧的温度为450～550℃。
优选的，步骤(3)中所述煅烧的温度为800～900℃。
优选的，所述煅烧的温度为800～850℃。
所述富Li/Na杂化离子电池正极材料在钠离子电池中的应用。
本发明的有益效果是：本发明提供的富Li/Na杂化离子电池正极材料主要呈六角形片状结构或颗粒状结构，包含有P2相和α-NaFeO2相，钠离子既能够在P2相中进行脱嵌，又能够在α-NaFeO2相中进行脱嵌，通过P2相与α-NaFeO2相的协同作用，实现了所述正极材料综合电化学性能的整体提升，在2～4.5V电压区间的比容量最高可达220mAh/g，并具有优异的循环稳定性；本发明提供的上述正极材料的制备方法具有反应条件温和、简单高效、绿色环保等特点。
附图说明
图1.实施例1中制备的正极材料的SEM图；
图2.实施例1中制备的正极材料的XRD图；
图3.实施例2中制备的正极材料的SEM图；
图4.实施例2中制备的正极材料的XRD图；
图5.实施例3中制备的正极材料的SEM图；
图6.实施例3中制备的正极材料的XRD图；
图7.实施例4中制备的正极材料的SEM图；
图8.实施例4中制备的正极材料的XRD图；
图9.实施例5中制备的正极材料的SEM图；
图10.实施例5中制备的正极材料的XRD图；
图11.实施例6中制备的正极材料的SEM图；
图12.实施例6中制备的正极材料的XRD图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所述富Li/Na杂化离子电池正极材料的化学式如下：
NaxLi1.5-xNi0.167Co0.167Mn0.67O2
其中，0＜x＜1.5，优选为0.5≤x≤1。
实施例1
本发明所述富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在50℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为7.5，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中450℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为3：6：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在850℃下煅烧，制备得到所述富Li/Na杂化离子电池正极材料Na0.5Li1Ni0.167Co0.167Mn0.67O2，所述正极材料的SEM和XRD图如图1和2所示。
实施例2
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在50℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为7.8，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中480℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为3.6：5.4：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在850℃下煅烧，制备得到所述富Li/Na杂化离子电池正极材料Na0.6Li0.9Ni0.167Co0.167Mn0.67O2，所述正极材料的SEM和XRD图如图3和4所示。
实施例3
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在50℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为8.2，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中500℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为4.2：4.8：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在820℃下煅烧，制备得到所述富Li/Na杂化离子电池正极材料Na0.7Li0.8Ni0.167Co0.167Mn0.67O2，所述正极材料的SEM和XRD图如图5和6所示。
实施例4
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在55℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为7.7，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中530℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为4.8：4.2：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在800℃下煅烧，制备得到所述富Li/Na杂化离子电池正极材料Na0.8Li0.7Ni0.167Co0.167Mn0.67O2，所述正极材料的SEM和XRD图如图7和8所示。
实施例5
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在50℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为8.4，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中550℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为5.4：3.6：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在810℃下煅烧，制备得到所述富Li/Na杂化离子电池正极材料Na0.9Li0.6Ni0.167Co0.167Mn0.67O2，所述正极材料的SEM和XRD图如图9和10所示。
实施例6
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在45℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为8，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中500℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为6：3：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在820℃下煅烧，制备得到所述富Li/Na杂化离子电池正极材料Na1Li0.5Ni0.167Co0.167Mn0.67O2，所述正极材料的SEM和XRD图如图11和12所示。
实施例7
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在55℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为8，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中500℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为6.6：2.4：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在850℃下煅烧，制备得到富Li/Na杂化离子电池正极材料Na1.1Li0.4Ni0.167Co0.167Mn0.67O2。
实施例8
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在50℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为8，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中500℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为7.2：1.8：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在850℃下煅烧，制备得到富Li/Na杂化离子电池正极材料Na1.2Li0.3Ni0.167Co0.167Mn0.67O2。
实施例9
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在50℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为8.5，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中475℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为7.8：1.2：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在800℃下煅烧，制备得到富Li/Na杂化离子电池正极材料Na1.3Li0.2Ni0.167Co0.167Mn0.67O2。
实施例10
(1)分别称取298g NiSO4·6H2O、318g CoSO4·7H2O和898g MnCl2·4H2O溶于去离子水中制备盐溶液，将319g Na2CO3溶于0.3mol/L氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合在50℃进行共沉淀反应，调节反应溶液pH值为7.8，所得沉淀经抽滤、干燥后制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛中500℃下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为8.4：0.6：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，充分混合后在850℃下煅烧，制备得到富Li/Na杂化离子电池正极材料Na1.4Li0.1Ni0.167Co0.167Mn0.67O2。
测试例
利用实施例1～10制备的正极材料组装钠离子电池，并对其进行电化学性能测试，在20mAh/g电流密度下进行充放电检测，测试结果如表1所示，
表1.充放电测试结果
从表1可以看出，实施例1～10中制备的富Li/Na杂化离子电池正极材料所组装的钠离子电池的首次放电比容量、首圈充放电库伦效率和容量保持率都较高。尤其是实施例1～6中制备的富Li/Na杂化离子电池正极材料所组装的钠离子电池的首次放电比容量、首圈充放电库伦效率和容量保持率相比实施例7～10有显著的提高，这是由于过量的较大半径的钠离子在充放过程中受到较大的阻力，不能够完全从层状结构中进行脱嵌，同时，钠离子在脱嵌的过程中对原有的晶体结构造成破坏，导致其可逆容量的降低。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种富Li/Na杂化离子电池正极材料，其特征在于，其化学式如下：
NaxLi1.5-xNi0.167Co0.167Mn0.67O2
其中，0＜x＜1.5。
2.根据权利要求1所述的一种富Li/Na杂化离子电池正极材料，其特征在于，0.5≤x≤1。
3.一种权利要求1或2所述的富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按摩尔比1：1：4分别称取Ni2+、Co2+和Mn2+盐溶于去离子水中制备盐溶液，将Na2CO3溶于氨水中制备碱溶液，将所述盐溶液与碱溶液混合进行共沉淀反应，控制反应体系的pH值为6～10，经分离、干燥制备镍钴锰的碳酸盐；
(2)将所述镍钴锰的碳酸盐在空气气氛下预烧，制得镍钴锰的氧化物；
(3)按Na、Li、Ni摩尔比为y：9-y：1称取Na2CO3、Li2CO3和镍钴锰的氧化物，混合后煅烧，制备得到所述富Li/Na杂化离子电池正极材料；其中0＜y＜9。
4.根据权利要求3所述的一种富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述氨水的浓度为0.2～0.3mol/L；所述共沉淀反应的温度为45～55℃。
5.根据权利要求3所述的一种富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述反应体系的pH值为7～9。
6.根据权利要求3所述的一种富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述预烧的温度为400～600℃。
7.根据权利要求6所述的一种富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述预烧的温度为450～550℃。
8.根据权利要求3所述的一种富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述煅烧的温度为800～900℃。
9.根据权利要求8所述的一种富Li/Na杂化离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为800～850℃。
10.权利要求1或2所述的富Li/Na杂化离子电池正极材料或权利要求3～9任意一项所制备的富Li/Na杂化离子电池正极材料在钠离子电池中应用。
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