CN112456567A - 一种包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，将金属源溶解或分散到易挥发溶剂中制成溶液/悬浮液，然后加入钠离子电池正极材料或正极材料前驱体，混合均一，干燥后煅烧使金属源分解成活性氧化物包覆在钠离子电池正极材料或正极材料前驱体的表面。本发明通过钒源前驱体分散悬浮于介质中，在合成钠离子正极材料过程中包覆活性氧化物，包覆层在正极材料表面分布均匀、结合紧密，提高钠离子电池正极材料的循环稳定性，并且由于表面纳米层活性氧化物对空气中CO2/H2O和电解液均具有较好的稳定性，有效提高了正极材料的空气储存稳定性和充放电循环寿命，方法简单，成本低，可用于大规模生产。

Description

一种包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种活性氧化物V2O5包覆钠离子电池正极材料的制备方法，属于钠离子电池材料技术领域。
背景技术
钠离子电池以其丰富的原材料、低成本以及高安全性等特点成为了近年来电池技术的研发热点。钠离子电池潜在应用场景包括如低速电动车以及储能装置等。正极材料是钠离子电池的关键材料之一，其中层状结构过渡金属氧化物具有较高比容量以及其与目前市场上比较成熟的锂电池的正极材料在合成以及电池制造方面的许多类同性，是钠离子电池正极材料有潜力得到商业化生产的材料之一。
然而，层状结构过渡金属氧化物在空气中储存稳定性差及/或充电态电解液中晶体结构不稳定等缺点，在长循环和大电流充放电中容量衰减严重，即循环性能和倍率性能不能完全符合应用的要求，而空气中储存稳定性差则使得材料必须在严格的条件储存和使用。对材料进行表面包覆是最有效的改性处理方法之一：包覆隔离层，防止电解液与材料直接接触，例如金属氧化物和氟化物包覆以及碳包覆，在不损失材料比容量的前提下有效阻止正极材料与电解液反应，提高正极材料的结构稳定性。包覆后的正极材料也增加了在空气中储存稳定性，使得材料在储存运输以及加工使用中更为便利，产品品质更为一致稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种表面包覆钠离子电池正极材料的制备方法，以提高钠离子电池的电化学性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，将金属源溶解或分散到易挥发溶剂中制成溶液/悬浮液，然后加入钠离子电池正极材料或正极材料前驱体，混合均一，干燥后煅烧使金属源分解成活性氧化物包覆在钠离子电池正极材料或正极材料前驱体的表面。
优选地，所述的金属源为五氧化二钒，二氧化钛，二氧化锆，氧化铜，氧化锡，三氧化二铝，二氧化锰或其它在煅烧温度下可分解为氧化物的金属盐。
优选地，将NH4VO3固体研磨成粉末，然后分散到易挥发溶剂中，在不断搅拌下，加入钠离子电池正极材料，于水浴锅中蒸干后在含氧气氛中煅烧，自然冷却即得活性氧化物包覆钠离子正极材料。
优选地，所述易挥发溶剂为无水乙醇、丙醇、丙酮或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
更优选地，所述NH4VO3与无水乙醇的质量比为0.0005～0.02：1。
更优选地，所述NH4VO3与钠离子电池正极材料的质量比为0.005～0.1：1。
更优选地，所述水浴锅的温度为50～90℃。
更优选地，所述煅烧的温度为300-900℃，时间为2-15h。
优选地，所述钠离子电池正极材料为NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2层状过渡金属氧化物。
本发明通过钒源前驱体溶于介质中，在合成钠离子正极材料过程中包覆氧化物V2O5，包覆层在正极材料表面分布均匀、结合紧密，提高钠离子电池正极材料的循环稳定性，并且由于表面纳米层V2O5对空气中CO2/H2O和电解液均具有较好的稳定性，有效提高了正极材料的空气储存稳定性和充放电循环寿命，方法简单，成本低，可用于大规模生产。
本发明的有益效果：在无需改变前驱体制备条件的情况下对材料进行活性氧化物V2O5包覆，V2O5为层状结构，有利于钠离子的传输，且在电解液和空气中有很好的稳定性，从而可更好的提高材料的空气储存稳定性及材料电化学循环稳定性。
附图说明
图1为实施例1和对比例在100mA/g(1C)的电流密度下循环200圈的循环曲线；
图2为实施例2和对比例在100mA/g(1C)的电流密度下循环200圈的循环曲线；
图3为实施例2和对比例在不同倍率下的放电比容量。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
将0.0643g NH4VO3分散于20mL无水乙醇中(NH4VO3与无水乙醇质量之比为0.004:1)，在不断搅拌下，以包覆质量百分比2％V2O5的量计算，加入2.5g NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2材料，并于80℃的水浴锅中蒸干后550℃热处理3h，自然冷却得到包覆材料。
实施例2
将0.032g NH4VO3分散于20mL无水乙醇中(NH4VO3与无水乙醇质量之比为0.002:1)，在不断搅拌下，以包覆质量百分比1％V2O5的量计算，加入2.5g NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2材料，并于80℃的水浴锅中蒸干后550℃热处理3h，自然冷却得到包覆材料。
将实施例1、2所得材料及对比例(NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2)作为正极材料分别制成扣式电池进行电化学性能测试。制作方法为：
正极材料、导电剂(Super-P)和粘结剂(PVDF)以8:1:1的质量比混合均匀，涂布于铝箔上，再在真空烘箱中烘干12h制成极片。极片取出后裁成直径12mm的圆片。在手套箱中制作扣式电池，取正极壳，将极片置于正极壳上，滴入一定量的电解液，再放入隔膜备用。将金属钠通过切削、擀制和冲制，获得圆形钠片。将镍网置于钠片上，再将钠片放入正极壳中，补加电解液后盖上负极壳，最后冲压定型获得扣式电池。所得扣式电池的充放电性能对比如图1-3所示。
如图1所示，对比例(无包覆)、实施例1(2wt％V2O5包覆)中正极材料的1C充放电速率的条件下的初始比容量分别为123mAh/g和118mAh/g，1C充放电循环200圈后放电比容量为90mAh/g和100mAh/g，容量保持率分别为73％和84.7％，纽扣电池容量稳定性比无包覆材料提高了16.0％。由此可见，该配方有效提高了材料的循环性能。
如图2所示，对比例(无包覆)、实施例2(1wt％V2O5包覆)中正极材料的1C充放电速率的条件下的初始比容量分别为123mAh/g和120mAh/g，1C充放电循环后放电比容量为90mAh/g和102mAh/g，容量保持率分别为73％和85％，纽扣电池容量稳定性比无包覆材料提高了16.4％。由此可见，该配方有效提高了材料的循环性能，且初始比容量基本保持不变。
如图3所示，在高倍率下，实施例2(1wt％V2O5包覆)的材料具有更高的可逆比容量和结构稳定性。10C(相当于电池在6分钟充满电)充放电测试时，包覆V2O5的材料还有约85mAh/g的容量，相比未包覆的材料只有约60mAh/g的容量，对比容量提高了41.7％。由此可见，该配方有效提高了材料的倍率性能。

Claims (9)

1.一种包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，将金属源溶解或分散到易挥发溶剂中制成溶液/悬浮液，然后加入钠离子电池正极材料或正极材料前驱体，混合均一，干燥后煅烧使金属源分解成活性氧化物包覆在钠离子电池正极材料或正极材料前驱体的表面。
2.如权利要求1所述的包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述的金属源为五氧化二钒，二氧化钛，二氧化锆，氧化铜，氧化锡，三氧化二铝，二氧化锰或其它在煅烧温度下可分解为氧化物的金属盐。
3.如权利要求1所述的包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，将NH4VO3固体研磨成粉末，然后分散到易挥发溶剂中，在不断搅拌下，加入钠离子电池正极材料，于水浴锅中蒸干后在含氧气氛中煅烧，自然冷却即得活性氧化物包覆钠离子正极材料。
4.如权利要求1或3所述的包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述易挥发溶剂为无水乙醇、丙醇、丙酮或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
5.如权利要求3所述的包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述NH4VO3与无水乙醇的质量比为0.0005～0.02：1。
6.如权利要求3所述的包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述NH4VO3与钠离子电池正极材料的质量比为0.005～0.01：1。
7.如权利要求3所述的包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述水浴锅的温度为50～90℃。
8.如权利要求3所述的包覆结构钠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300-900℃，时间为2-15h。
9.如权利要求1-3任意一项所述的包覆结构钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述钠离子电池正极材料为NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2层状过渡金属氧化物。
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