CN113972367A - 一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池及其制造方法，包括钠离子电池本体的顶部设置有钠离子电池正极，钠离子电池本体的底部设置有钠离子电池负极，S1：取一定元素比例的氢氧化钠、二氧化锰、五氧化二铌/三氧化钼/氧化镍和氧化铜材料；S2：将S1获得的材料放入球磨机中，启动开关，将其相关材料进行球磨处理；S3：将S2球磨后的材料放入煅烧炉中对其进行煅烧操作；S4：加热由S3所得的研磨过的混合物以形成正极材料；S5：对S4获取的正极材料对其进行表征操作；S6：最后通过电化学对其进行评估，得到改电池，结构简单，设计新颖，具备良好的耐水性能和较高的循环寿命。
Description
技术领域
本发明涉及钠离子电池技术领域，具体为一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池及其制造方法。
背景技术
锂离子电池作为绿色环保的储能器件，因具有能量密度高、循环寿命长、安全无污染等突出优势，在电子市场、新能源汽车等储能领域得到了广泛应用，大大提高了人类的生产生活水平。然而，随着锂离子电池市场需求的不断增长，锂资源短缺和价格上涨等问题严重阻碍了其发展。在此背景下，由于钠离子和锂离子具有相似的物理化学性质，而且钠资源丰富、价格低廉，因此成为最有潜力代替锂离子电池的新型储能体系之一，国内外多家公司也已将钠离子电池列入今后的发展计划。
国内外的一些科研机构相继开展了钠离子电池正极材料制备研究。目前，常见的钠离子电池正极材料主要包括有层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物、隧道型氧化物等。而相比于普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物、隧道型氧化物等材料，层状过渡金属氧化物表现出更高的比容量，更满足高能量密度的需求。由于合成方便、结构简单和原料来源广，层状过渡金属氧化物是最具发展潜力的钠离子电池正极材料之一，已经在100kW·h级钠离子电池储能电站中获得验证。
层状过渡金属氧化物NaxMeO2(Me代表过渡金属)是一种嵌入或插层型化合物。在P2-NaxMeO2(Me为单一的过渡金属元素)中，地壳中锰元素的储量丰度较高且P2-NaxMnO2具有较高的可逆容量(可达200mA·h/g以上)。因此，以锰元素为主体过渡金属的P2-NaxMnyM1-yO2(y≥0.5)受到更为广泛的关注，其中M代表过渡金属或者镁等碱金属元素中的一种或两种。一般而言，P2-NaxMeO2的充放电容量取决于钠含量。通过Ni、Mg、Li等元素部分取代MnO2层中锰元素，可以提高其钠含量。目前掺杂元素大多为+1，+2，+3和+4价元素，关于高价元素掺杂的研究较少，但实际上该方法也可以有效改善脱嵌机制，起到提高材料循环稳定性的作用。
层状过渡金属氧化物中，大多数P2相NaxMeO2的耐水性都比较差。这是由于NaxMeO2的层间距较大，易与空气中水分子的氢离子发生离子交换反应，并在材料表面生成Na2CO3、NaHCO3和NaOH等碱性氧化物以及直接吸收水分子作为层间结晶水。这会改变材料的晶体结构和降低材料结晶性，且材料表面形成较强的碱性环境会使黏结剂脱氟而失效，并且碱会腐蚀具有两性金属特性的集流体铝箔。研究表明，使用少量Cu元素取代过渡金属层或惰性金属氧化物包覆正极材料可以有效地提高层状氧化物的耐水性能。因此，作为应用于大规模储能领域的层状过渡金属氧化物，应具备良好的耐水性能和较高的循环寿命，我们对此做出改进，提出一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池及其制造方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池，包括钠离子电池本体，所述钠离子电池本体的顶部设置有钠离子电池正极，所述钠离子电池本体的底部设置有钠离子电池负极，且所述钠离子电池本体的外侧设置有金属保护壳，所述钠离子电池本体的内部中心端开设有凹槽，所述凹槽的外侧设有电解质，且所述电解质填充于钠离子电池本体的内部，所述凹槽的内部设有碳棒，所述碳棒的顶部设置有正极盖，且所述正极盖位于所述钠离子电池正极的顶部中心位置处。
作为本发明的一种优选技术方案，所述钠离子电池正极的材料为层状过渡金属氧化物，所述层状过渡金属氧化物NaxMeO2(Me代表过渡金属)为一种嵌入或插层型化合物。
作为本发明的一种优选技术方案，所述层状过渡金属氧化物的内部设有少量Cu元素，所述Cu元素取代过渡金属层或惰性金属氧化物包覆正极材料。
作为本发明的一种优选技术方案，所述层状金属氧化物由氢氧化钠、二氧化锰、五氧化二铌/三氧化钼/氧化镍和氧化铜构成的正极材料。
一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池的制造方法，包括以下几个步骤：
S1：取一定元素比例的氢氧化钠、二氧化锰、五氧化二铌/三氧化钼/氧化镍和氧化铜材料；
S2：将S1获得的材料放入球磨机中，启动开关，将其相关材料进行球磨处理；
S3：将S2球磨后的材料放入煅烧炉中对其进行煅烧操作；
S4：加热由S3所得的研磨过的混合物以形成正极材料；
S5：对S4获取的正极材料对其进行表征操作；
S6：最后通过电化学对其进行评估。
作为本发明的一种优选技术方案，其特征在于，所述S5中表征方法为通过SEM和TEM观察形貌的变化，通过XRD研究晶体结构的变化。
作为本发明的一种优选技术方案，其特征在于，所述S6中电化学评估为以活性材料和PVDF，superP混料，先组装扣式电池，评估活性材料的性能，再小试组装18650圆柱电池，探究实用性。
作为本发明的一种优选技术方案，其特征在于，所述S3中煅烧的温度为480℃。煅烧时间为3小时。
本发明的有益效果是：
1、该种高性能钠离子电池层状金属氧化物及其制造方法，钠资源丰富，价格低廉；钠离子电池与锂离子电池的工作机理相似；
2、该种高性能钠离子电池层状金属氧化物及其制造方法，离子电导率相同时，钠盐比锂盐电解液的浓度低，因此成本更低；由于钠离子不与铝形成合金，钠离子电池的集流体可以使用铝箔，成本更低；由于钠离子电池比锂离子电池的内阻高一些，所以当发生短路等现象时钠离子电池的安全性能相对更高；
3、该种高性能钠离子电池层状金属氧化物及其制造方法，钠离子具有更好的界面动力学能力，与锂离子相比溶剂化能更低，然而与锂离子电池相比，钠离子电池仍然具有电池能量密度较低、钠离子半径较大和动力学速率较慢等不足，导致钠离子在电极材料中脱嵌缓慢，进而影响电池的循环和倍率性能，成为制约储钠材料发展的主要因素。
4、该种高性能钠离子电池层状金属氧化物及其制造方法，低价元素镍(Me＝Mo/Nb或Ni)引入到富锰高钠的层状正极体系提高容量和倍率性能，并添加少量铜元素稳定正极，提高耐水性和稳定性
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池及其制造方法的立体图；
图2是本发明一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池及其制造方法的内部立体图；
图3是本发明一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池及其制造方法的制造方法示意图。
图中：1、钠离子电池本体；2、钠离子电池正极；3、钠离子电池负极；4、凹槽；5、电解质；6、碳棒；7、正极盖。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1-3所示，本发明一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池，包括钠离子电池本体1，钠离子电池本体1的顶部设置有钠离子电池正极2，钠离子电池本体1的底部设置有钠离子电池负极3，且钠离子电池本体1的外侧设置有金属保护壳，钠离子电池本体1的内部中心端开设有凹槽4，凹槽4的外侧设有电解质5，且电解质5填充于钠离子电池本体1的内部，凹槽4的内部设有碳棒6，碳棒6的顶部设置有正极盖7，且正极盖7位于钠离子电池正极2的顶部中心位置处。
其中，钠离子电池正极2的材料为层状过渡金属氧化物，层状过渡金属氧化物NaxMeO2(Me代表过渡金属)为一种嵌入或插层型化合物。
其中，层状过渡金属氧化物的内部设有少量Cu元素，Cu元素取代过渡金属层或惰性金属氧化物包覆正极材料。
其中，层状金属氧化物由氢氧化钠、二氧化锰、五氧化二铌/三氧化钼/氧化镍和氧化铜构成的正极材料。
一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池的制造方法，包括以下几个步骤：
S1：取一定元素比例的氢氧化钠、二氧化锰、五氧化二铌/三氧化钼/氧化镍和氧化铜材料；
S2：将S1获得的材料放入球磨机中，启动开关，将其相关材料进行球磨处理；
S3：将S2球磨后的材料放入煅烧炉中对其进行煅烧操作；
S4：加热由S3所得的研磨过的混合物以形成正极材料；
S5：对S4获取的正极材料对其进行表征操作；
S6：最后通过电化学对其进行评估。
其中，S5中表征方法为通过SEM和TEM观察形貌的变化，通过XRD研究晶体结构的变化。
其中，S6中电化学评估为以活性材料和PVDF，superP混料，先组装扣式电池，评估活性材料的性能，再小试组装18650圆柱电池，探究实用性。
其中，S3中煅烧的温度为480℃。煅烧时间为3小时。
工作原理：使用时，S1：取一定元素比例的氢氧化钠、二氧化锰、五氧化二铌/三氧化钼/氧化镍和氧化铜材料；S2：将S1获得的材料放入球磨机中，启动开关，将其相关材料进行球磨处理；S3：将S2球磨后的材料放入煅烧炉中对其进行煅烧操作；煅烧的温度为480℃。煅烧时间为3小时；S4：加热由S3所得的研磨过的混合物以形成正极材料；调控和优化Na-Mn-Me-Cu各元素比例，获得最大的钠离子占比，最大的层间距和最好的耐水性；S5：对S4获取的正极材料对其进行表征操作；表征方法为通过SEM和TEM观察形貌的变化，通过XRD研究晶体结构的变化；S6：最后通过电化学对其进行评估，电化学评估为以活性材料和PVDF，superP混料，先组装扣式电池，评估活性材料的性能，再小试组装18650圆柱电池，探究实用性，以及低价元素镍(Me＝Mo/Nb或Ni)引入到富锰高钠的层状正极体系提高容量和倍率性能，并添加少量铜元素稳定正极，提高耐水性和稳定性。
最后应说明的是：在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池，包括钠离子电池本体(1)，其特征在于，所述钠离子电池本体(1)的顶部设置有钠离子电池正极(2)，所述钠离子电池本体(1)的底部设置有钠离子电池负极(3)，且所述钠离子电池本体(1)的外侧设置有金属保护壳，所述钠离子电池本体(1)的内部中心端开设有凹槽(4)，所述凹槽(4)的外侧设有电解质(5)，且所述电解质(5)填充于钠离子电池本体(1)的内部，所述凹槽(4)的内部设有碳棒(6)，所述碳棒(6)的顶部设置有正极盖(7)，且所述正极盖(7)位于所述钠离子电池正极(2)的顶部中心位置处。
2.根据权利要求1所述的一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池，其特征在于，所述钠离子电池正极(2)的材料为层状过渡金属氧化物，所述层状过渡金属氧化物NaxMeO2(Me代表过渡金属)为一种嵌入或插层型化合物。
3.根据权利要求1所述的一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池，其特征在于，所述层状过渡金属氧化物的内部设有少量Cu元素，所述Cu元素取代过渡金属层或惰性金属氧化物包覆正极材料。
4.根据权利要求1所述的一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池，其特征在于，所述层状金属氧化物由氢氧化钠、二氧化锰、五氧化二铌/三氧化钼/氧化镍和氧化铜构成的正极材料。
5.一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池的制造方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1：取一定元素比例的氢氧化钠、二氧化锰、五氧化二铌/三氧化钼/氧化镍和氧化铜材料；
S2：将S1获得的材料放入球磨机中，启动开关，将其相关材料进行球磨处理；
S3：将S2球磨后的材料放入煅烧炉中对其进行煅烧操作；
S4：加热由S3所得的研磨过的混合物以形成正极材料；
S5：对S4获取的正极材料对其进行表征操作；
S6：最后通过电化学对其进行评估。
6.根据权利要求5所述的一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池的制造方法，其特征在于，所述S5中表征方法为通过SEM和TEM观察形貌的变化，通过XRD研究晶体结构的变化。
7.根据权利要求5所述的一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池的制造方法，其特征在于，所述S6中电化学评估为以活性材料和PVDF，superP混料，先组装扣式电池，评估活性材料的性能，再小试组装18650圆柱电池，探究实用性。
8.根据权利要求5所述的一种层状金属氧化物的高性能钠离子电池的制造方法，其特征在于，所述S3中煅烧的温度为480℃。煅烧时间为3小时。
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