CN112751001B - 一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料及其制备方法。该钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法，包括如下步骤：将镍锰酸钠正极材料和钼掺氧化铟纳米颗粒按照100:(0.2～0.8)的质量比加入到高速混料器中均匀混合，随后在250～750℃下焙烧2～8h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。本发明通过在镍锰酸钠正极材料表面包覆钼掺杂氧化铟提高材料的循环性能，并缓解常规包覆带来的电阻增大的问题，避免包覆后倍率性能显著降低；本发明的制备方法简单，有利于实现批量化生产。

Description

一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及钠离子电池技术领域，尤其涉及一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料及其制备方法。
背景技术
近年来，钠离子电池由于钠资源丰富、价格低廉等特点，逐渐成为储能领域的研究热点。然而，钠离子因为离子半径较大，因此动力学性能如不锂离子，成为制约钠离子电池发展的主要因素，而发展高性能的嵌钠正极材料是提高钠离子电池比能量和推进其应用的关键。过渡金属氧化物钠离子电池面临着充放电过程相变复杂、表面稳定性差的问题。为了改善这类材料表面状态，改善材料在电解液中的稳定性，表面包覆是一种常用手段。
目前常见的包覆层(氧化铝、氧化锆)往往电子导电性较差，包覆均匀时经常导致材料内阻增大，容量倍率显著降低。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料及其制备方法，用以解决现有技术中现有的钠离子正极材料包覆层导致正极材料内阻增大、容量倍率显著降低的技术问题。
本发明的第一方面提供一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法，包括如下步骤：将镍锰酸钠正极材料和钼掺氧化铟纳米颗粒按照100:(0.2～0.8)的质量比加入到高速混料器中均匀混合，随后在250～750℃下焙烧2～8h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
进一步地，镍锰酸钠为NaNiaMnbO2中的一种或多种，a+b＝1，a≥b，粒径为3～15μm。
进一步地，钼掺杂氧化铟为In2O3·xMoO3，x为0.21～0.42，粒径为10～20nm。
进一步地，钼掺杂氧化铟的制备过程为：将钼源和铟源按照In2O3·xMoO3化学计量比溶于水中并混合均匀，将混合溶液雾化喷入氢氧焰中焙烧，得到钼掺氧化铟纳米颗粒。
更进一步地，铟源为硝酸铟、氯化铟、草酸铟、醋酸铟中的一种或多种的混合物，所述钼源为钼酸铵或钼酸钠中的一种或多种的混合物；钼源和铟源在水中的总质量分数为0.9～1.1％。
更进一步地，氢氧焰焙烧温度为1400～1600℃，氢氧焰焙烧时间为3～8h。
进一步地，镍锰酸钠和钼掺杂氧化铟焙烧的气氛为氧气或空气。
本发明的第二方面提供了一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料，该钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料通过本发明第一方面提供的钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在镍锰酸钠正极材料表面包覆钼掺杂氧化铟提高材料的循环性能，并缓解常规包覆带来的电阻增大的问题，避免包覆后倍率性能显著降低；本发明的制备方法简单，有利于实现批量化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1所得镍锰酸钠正极材料的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的第一方面提供了一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法，包括如下步骤：将镍锰酸钠正极材料和钼掺氧化铟纳米颗粒按照100:(0.2～0.8)的质量比加入到高速混料器中均匀混合，随后在250～750℃下焙烧2～8h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
本发明通过在镍锰酸钠正极材料表面包覆钼掺杂氧化铟提高材料的循环性能，并缓解常规包覆带来的电阻增大的问题，避免包覆后倍率性能显著降低。氧化铟具有化学性质稳定、耐蚀性好等特性，可作为钠离子正极材料的包覆层。通过向氧化铟中掺入Mo，由于6价的Mo离子取代了In2O3晶格中3价的In离子，可降低禁带宽度，提高载流子浓度，有效的改善包覆物的导电性，有助于电池循环以及倍率性能的提升。
本实施方式中，镍锰酸钠为NaNiaMnbO2中的一种或多种，a+b＝1，a≥b，粒径为3～15μm。本发明对镍锰酸钠的具体组成和来源不作进一步的限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。例如，a的范围可以为0.5～0.7，镍锰酸钠具体可以通过直接购买或实验室制备得到。镍锰酸钠的制备方法为现有技术，在此不作详细说明。
本实施方式中，钼掺杂氧化铟为In2O3·xMoO3，x为0.21～0.42，粒径为10～20nm。在该粒径范围内，更有利于钼掺杂氧化铟和镍锰酸钠混合均匀，提高电池性能。本发明对钼掺杂氧化铟的具体组成和来源不作进一步的限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。在本发明的一些具体实施方式中，钼掺杂氧化铟纳米颗粒通过以下步骤得到：将钼源和铟源按照In2O3·xMoO3化学计量比溶于水中并混合均匀，将混合溶液雾化喷入氢氧焰中焙烧，得到钼掺氧化铟纳米颗粒。进一步地，铟源为硝酸铟、氯化铟、草酸铟、醋酸铟中的一种或多种的混合物，钼源为钼酸铵或钼酸钠中的一种或多种的混合物。钼源和铟源在水中的总质量分数为0.9～1.1％；焙烧温度为1400～1600℃，焙烧时间为3～8h。本发明通过结合喷雾和氢氧焰焙烧，有利于细化颗粒，从而得到粒径范围为10～20nm的钼掺杂氧化铟纳米颗粒。
本发明对高速混料器的具体转速和时间不作进一步的限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。例如，高速混合转速可以为400～800rpm，时间可以为10～30min。
本实施方式中，镍锰酸钠和钼掺杂氧化铟焙烧的气氛为氧气或空气。
本发明的第二方面提供了一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料，该钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料通过本发明第一方面提供的钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法得到。
实施例1
将0.2mol硝酸铟(In(NO3)3·4H2O)和0.005mol仲钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)溶于8L水中，雾化喷入氢氧焰中，在1500℃焙烧3h，得到钼掺氧化铟纳米颗粒(In2O3·0.35MoO3)，粒径10～20nm；
将1kg NaNi0.55Mn0.45O2(粒径为4μm)正极材料和0.005kg钼掺氧化铟纳米颗粒加入到高速混料器中，以650rpm的转速高速混合15min，随后置于氧气气氛下450℃热处理5h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料，所得钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料的形貌见图1。
实施例2
将0.2mol硝酸铟(In(NO3)3·4H2O)和0.003mol仲钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)溶于8L水中，雾化喷入氢氧焰中，在1400℃焙烧8h，得到钼掺氧化铟纳米颗粒(In2O3·0.21MoO3)，粒径10～20nm；
将1kg NaNi0.70Mn0.30O2(粒径为3μm)正极材料和0.002kg钼掺氧化铟纳米颗粒加入到高速混料器中，以800rpm的转速高速混合10min，随后置于氧气气氛下250℃热处理8h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
实施例3
将0.2mol硝酸铟(In(NO3)3·4H2O)和0.006mol仲钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)溶于8L水中，雾化喷入氢氧焰中，1600℃焙烧5h，得到钼掺氧化铟纳米颗粒(In2O3·0.42MoO3)，粒径10～20nm；
将1kg NaNi0.5Mn0.5O2(粒径为15μm)正极材料和0.008kg钼掺氧化铟纳米颗粒加入到高速混料器中，以400rpm的转速高速混合30min，随后置于氧气气氛下750℃热处理2h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
实施例4
将0.2mol硝酸铟(In(NO3)3·4H2O)和0.002mol仲钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)溶于8L水中，雾化喷入氢氧焰中，1500℃焙烧3h，得到钼掺氧化铟纳米颗粒(In2O3·0.14MoO3)，粒径10～20nm；
将1kg NaNi0.55Mn0.45O2(粒径为4μm)正极材料和0.005kg钼掺氧化铟纳米颗粒加入到高速混料器中，以650rpm的转速高速混合15min，随后置于氧气气氛下450℃热处理5h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
实施例5
将0.2mol硝酸铟(In(NO3)3·4H2O)和0.007mol仲钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)溶于8L水中，雾化喷入氢氧焰中，在1500℃焙烧3h，得到钼掺氧化铟纳米颗粒(In2O3·0.49MoO3)，粒径10～20nm；
将1kg NaNi0.55Mn0.45O2(粒径为4μm)正极材料和0.005kg钼掺氧化铟纳米颗粒加入到高速混料器中，以650rpm的转速高速混合15min，随后置于氧气气氛下450℃热处理5h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
对比例1
对比例1为镍锰酸钠NaNi0.55Mn0.45O2正极材料。
对比例2
将0.2mol硝酸铟(In(NO3)3·4H2O)溶于7.4L水中，雾化喷入氢氧焰中，在1500℃焙烧3h，得到氧化铟纳米颗粒(In2O3)，粒径10～20nm；
将1kg NaNi0.55Mn0.45O2(粒径为4μm)正极材料和0.005kg氧化铟纳米颗粒加入到高速混料器中，以650rpm的转速高速混合15min，随后置于氧气气氛下450℃热处理5h，得到氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
对比例3
将0.005mol仲钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)溶于0.6L水中，雾化喷入氢氧焰中，在1500℃焙烧3h，得到氧化钼纳米颗粒(MoO3)，粒径10～20nm；
将1kg NaNi0.55Mn0.45O2(粒径为4μm)正极材料和0.005kg氧化钼纳米颗粒加入到高速混料器中，以650rpm的转速高速混合15min，随后置于氧气气氛下450℃热处理5h，得到氧化钼包覆的镍锰酸钠正极材料。
对比例4
对比例4与实施例1的区别仅在于：将1kg NaNi0.55Mn0.45O2(粒径为4μm)正极材料和0.001kg钼掺氧化铟纳米颗粒加入到高速混料器中，以650rpm的转速高速混合15min，随后置于氧气气氛下450℃热处理5h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
对比例5
对比例5与实施例1的区别仅在于：将1kg NaNi0.55Mn0.45O2(粒径为4μm)正极材料和0.01kg钼掺氧化铟纳米颗粒加入到高速混料器中，以650rpm的转速高速混合15min，随后置于氧气气氛下450℃热处理5h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料。
试验组
粉末电阻率测试：称取1g正极材料，模具内径13mm，电流0.1μA，压强8Mpa、10Mpa、12Mpa条件下测试电阻率，结果见表1。
表1不同镍锰酸钠正极材料的电阻率
8MPa(KΩ/cm) 10MPa(KΩ/cm) 12MPa(KΩ/cm)
实施例1 88.2 64.5 32.1
实施例2 100.2 87.21 45.2
实施例3 91 70.7 38.4
实施例4 133.6 128.2 116.9
实施例5 72.3 51.9 23.8
对比例1 8.51 7.24 5.96
对比例2 146.1 144.7 142.9
对比例3 8.22 6.85 5.18
对比例4 58.8 37.3 20.6
对比例5 141.1 128.9 89.1
扣电测试：将正极材料、导电剂和粘接剂按照80:12:8的质量比混合制成正极。在充满氩气的手套箱中，采用1M NaClO4为溶质，碳酸丙烯酯：碳酸乙烯酯(体积比＝1:1)的混合溶液为溶剂的电解液，使用玻璃纤维隔膜，以所制备电极为工作电极，钠片作为对电极组装成扣式钠电池。
在电压2.8～4.0V、0.2C倍率条件下测试循环性能；此外，在电压2.8～4.0V、不同倍率条件下(0.2C、1C、2C)测试材料倍率性能，结果见表2。
表2不同镍锰酸钠正极材料在2.8～4.0V电压条件下的电化学性能
Figure BDA0002869209400000081
由表2可以看出，对材料进行包覆改性，能够有效改善材料的循环性能及倍率性能。但是包覆量过低，对材料循环性能的改善不明显，包覆量过多，由于包覆层不具电化学活性，所以会降低材料客容量的发挥，同时导致倍率性能显著下降。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将镍锰酸钠正极材料和钼掺氧化铟纳米颗粒按照100:(0.2～0.8)的质量比加入到高速混料器中均匀混合，随后在250～750℃下焙烧2～8h，得到钼掺氧化铟包覆的镍锰酸钠正极材料；所述钼掺杂氧化铟为In2O3·xMoO3，x为0.21～0.42，粒径为10～20nm；所述钼掺杂氧化铟的制备过程为：将钼源和铟源按照In2O3·xMoO3化学计量比溶于水中并混合均匀，将混合溶液雾化喷入氢氧焰中焙烧，得到钼掺氧化铟纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法，其特征在于，所述镍锰酸钠为NaNiaMnbO2中的一种或多种，a+b＝1，a≥b，粒径为3～15μm。
3.根据权利要求1所述钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法，其特征在于，所述铟源为硝酸铟、氯化铟、草酸铟、醋酸铟中的一种或多种的混合物，所述钼源为钼酸铵或钼酸钠中的一种或多种的混合物；钼源和铟源在水中的总质量分数为0.9～1.1％。
4.根据权利要求1所述钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法，其特征在于，所述氢氧焰焙烧温度为1400～1600℃，氢氧焰焙烧时间为3～8h。
5.根据权利要求1所述钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法，其特征在于，所述镍锰酸钠和钼掺杂氧化铟焙烧的气氛为氧气或空气。
6.一种钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料，其特征在于，所述钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料通过权利要求1～5中任一项所述钼掺杂氧化铟包覆镍锰酸钠正极材料的制备方法得到。
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