CN116477673A - 一种钠电正极前驱体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钠电正极前驱体及其制备方法和应用,所述制备方法包括以下步骤:(1)将镍源、锰源和铁源混合得到三元盐溶液,将所述三元盐溶液、碱液和络合剂并流加入底液进行共沉淀反应,得到三元前驱体;(2)以所述三元前驱体为基体,将羧酸溶液和金属盐溶液并流加入反应容器与基体进行包覆反应,陈化后得到所述钠电正极前驱体,本发明通过纳米湿法包覆技术在前驱体外层包覆一种Y‑MOF,该Y‑MOF是由金属与有机羧酸进行配位合成的,是一种无限有序的层状结构化合物,在纳米级别高度有序,能够紧密均匀的包覆在镍铁锰的表面。克服了包覆元素不均匀的问题,从而改善了钠电正极材料的循环稳定性和倍率性能。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池技术领域,涉及一种钠电正极前驱体及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池由于高的能量密度和长的循环寿命,已经占据了二次电池的主要市场。目前,先进的储能系统大多都采用锂离子电池技术,尽管如此,随着锂离子电池价格的波动特别是锂资源的消耗和未来面临的短缺,锂离子电池发展也具有一定的局限性。因此,资源丰富的钠备受关注。钠与锂同族,具有相似的电化学性质;与锂离子电池相比,钠离子电池具有资源丰富、成本低等诸多潜在优势,适合于大规模储能,必将成为一种极具发展前景的新型绿色环保储能电池。
在钠离子电池正极材料中,钠离子在层状材料中迁移的扩散势垒比锂离子低。层状化合物作为储钠材料非常有优势,因为垂直于c轴的层间距在钠离子的脱嵌过程可以调节。因此在研究钠离子电池正极材料时,层状过渡金属氧化物通常成为首选。另一方面,层状氧化物由于具有合成容易、能量/功率密度较高、环境友好等特点被广泛研究。其化学通式可以表达为NaxTMO2(x≤1,TM为Ni、Mn、Fe、Co、Cu等)。此外,层状氧化物采用共沉淀-高温固相烧结法制备,与锂电正极材料的制备方法类似,工艺设备基本相同,因此钠电层状氧化物正极材料被认为是最适合大规模生产的一种钠电材料。
CN103985851A公开了一类钠离子电池正极材料及包括该正极材料的钠离子电池,其制法为:将碳酸钠、M氧化物和L氧化物按照化学计量比混合,球磨,煅烧,球磨,即得钠离子电池正极材料。
CN109638278A公开了一种钠离子电池正极材料和钠离子电池,含有颗粒状的NaxMnO2材料,其中0<x≤1,NaxMnO2材料的各颗粒中含有随机堆积而成的MnO2纳米片,多个MnO2纳米片之间形成错层堆积的结构。
上述方案所述的钠电正极材料存在能量密度低,循环稳定性差的问题,主要原因是:钠的半径较锂的半径大,在循环过程中,Na+的脱嵌导致过渡金属层发生滑移,从而导致O3-P2相变,使循环稳定性恶化,同时共沉淀制备过程中可能导致元素沉淀不均匀。从而使在钠离子电池在循环过程中产生钠支晶,导致电池容量快速衰减。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钠电正极前驱体及其制备方法和应用,本发明通过纳米湿法包覆技术在前驱体外层包覆一种金属有机骨架化合物(Y-MOF),该Y-MOF是由金属与有机羧酸进行配位合成的,是一种无限有序的层状结构化合物,在纳米级别高度有序,能够紧密均匀的包覆在镍铁锰的表面。克服了包覆元素不均匀的问题,从而改善了钠电正极材料的循环稳定性和倍率性能。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种钠电正极前驱体的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
(1)将镍源、锰源和铁源混合得到三元盐溶液,将所述三元盐溶液、碱液和络合剂并流加入底液进行共沉淀反应,得到三元前驱体;
(2)以所述三元前驱体为基体,将羧酸溶液和金属盐溶液并流加入反应容器与基体进行包覆反应,陈化后得到所述钠电正极前驱体。
本发明反应体系相对稳定的共沉淀方法制备镍铁锰氢氧化物前驱体,球形颗粒粒度大小均匀,同时确保镍铁锰氢氧化物沉淀完全,上清液中不存在镍铁锰元素,金属盐与羧酸溶液在一定条件下进行的反应形成Y-MOFs,Y-MOF为一种无限有序的层状结构化合物,可确保外壳的Y元素在原子级别包覆的均匀性,解决了正极材料端固相包覆不均匀的现象。表面包覆的多孔导电吸附结构可实现Na+的快速脱嵌,缓解了常规包覆带来的电阻增大的问题,也避免了包覆后倍率性能显著降低。
优选地,步骤(1)所述镍源包括硫酸镍、硝酸镍或氯化镍中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述锰源包括硫酸锰、硝酸锰或氯化锰中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述铁源包括硫酸亚铁、硝酸亚铁或氯化亚铁中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述三元盐溶液的浓度为2~4mol/L,例如:2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、3.5mol/L或4mol/L等。
优选地,步骤(1)所述碱液包括氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或氢氧化钾溶液中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述碱液的浓度为2~4mol/L,例如:2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、3.5mol/L或4mol/L等。
优选地,所述络合剂包括氨水。
优选地,所述氨水的浓度为1~3mol/L,例如:1mol/L、1.5mol/L、2mol/L、2.5mol/L或3mol/L等。
优选地,所述底液包括络合剂、碱液和水。
优选地,所述底液的pH为10~12,例如:10、10.5、11、11.5或12等。
优选地,所述底液中络合剂的浓度为7~11g/L,例如:7g/L、8g/L、9g/L、10g/L或11g/L等。
优选地,步骤(1)所述三元盐溶液的流速为30~60kg/h,例如:30kg/h、35kg/h、40kg/h、50kg/h或60kg/h等。
优选地,所述碱液的流速为3~8kg/h,例如:3kg/h、4kg/h、5kg/h、6kg/h、7kg/h或8kg/h等。
优选地,所述络合剂的流速为10~20kg/h,例如:10kg/h、12kg/h、15kg/h、18kg/h或20kg/h等。
优选地,所述共沉淀反应的温度为45~70℃,例如:45kg/h、50kg/h、55kg/h、60kg/h或70kg/h等。
优选地,所述共沉淀反应的时间为50~70h,例如:50h、55h、60h、65h或70h等。
优选地,所述共沉淀反应的搅拌速度为120~400rpm,例如:120rpm、150rpm、200rpm、300rpm或400rpm等。
优选地,步骤(2)所述羧酸溶液的溶质包括5-羟基间苯二甲酸、均苯三甲酸或1,2,4,5-苯四羧酸中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述羧酸溶液的溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、甲醇、乙醇或丙醇中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述羧酸溶液的浓度为1.8~2.2mol/L,例如:1.8mol/L、1.9mol/L、2mol/L、2.1mol/L或2.2mol/L等。
优选地,所述金属盐溶液包括铝盐溶液、镁盐溶液、锆盐溶液、钙盐溶液、钛盐溶液或钨盐溶液中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述金属盐溶液的浓度为1~3mol/L,例如:1mol/L、1.5mol/L、2mol/L、2.5mol/L或3mol/L等。
优选地,步骤(2)所述羧酸溶液的流速为1~3L/h,例如:1L/h、1.5L/h、2L/h、2.5L/h或3L/h等。
优选地,所述金属盐溶液的流速为8~16L/h,例如:8L/h、10L/h、12L/h、14L/h或16L/h等。
优选地,步骤(2)所述包覆反应的pH为7~8,例如:7、7.2、7.5、7.8或8等。
优选地,所述包覆反应的温度为50~65℃,例如:50℃、52℃、55℃、60℃或65℃等。
优选地,所述包覆反应的时间为2~8h,例如:2h、3h、5h、6h或8h等。
优选地,所述包覆反应的搅拌速度为250~350rpm,例如:250rpm、280rpm、300rpm、320rpm或350rpm等。
优选地,所述陈化的时间为2~5h,例如:2h、3h、4h或5h等。
第二方面,本发明提供了一种钠电正极前驱体,所述钠电正极前驱体通过如第一方面所述方法制得,所述钠电正极前驱体中,包覆金属的含量为1000~10000ppm,例如:1000ppm、2000ppm、5000ppm、8000ppm或10000ppm等。
本发明所述钠电正极前驱体的外表包覆Y-MOF是一种多孔导电吸附层,能够保证循环过程中Na+的脱嵌,解决了常规包覆元素材料倍率性能差的问题。
第三方面,本发明提供了一种钠电正极材料,所述钠电正极材料通过如第二方面所述钠电正极前驱体经过一步烧结后与钠源混合,经二步烧结得到。
优选地,所述一步烧结的温度为400~600℃,例如:400℃、450℃、500℃、550℃或600℃等。
优选地,所述一步烧结的时间为3~6h,例如:3h、4h、5h或6h等。
优选地,所述钠源包括碳酸钠。
优选地,所述二步烧结的温度为800~1200℃,例如:800℃、900℃、1000℃、1100℃或1200℃等。
优选地,所述二步烧结的时间为10~20h,例如:10h、12h、15h、18h或20h等。
第四方面,本发明提供了一种钠离子电池,所述钠离子电池包含如第三方面所述的钠电正极材料。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明通过纳米湿法包覆技术在前驱体外层包覆一种金属有机骨架化合物(Y-MOF),该Y-MOF是由金属与有机羧酸进行配位合成的,是一种无限有序的层状结构化合物,在纳米级别高度有序,能够紧密均匀的包覆在镍铁锰的表面。克服了包覆元素不均匀的问题,从而改善了钠电正极材料的循环稳定性和倍率性能。前驱体外表包覆Y-MOF是一种多孔导电吸附层,能够保证循环过程中Na+的脱嵌,解决了常规包覆元素材料倍率性能差的问题。
(2)本发明所述包覆方法在原有镍铁锰前驱体体系基础上继续反应合成的,操作简单,能够为后续实现中试甚至量产提供可能。
(3)本发明所述前驱体制成钠电正极材料后制得电池的可逆容量可达136.28mA/hg以上,0.1C循环100圈后的容量保持率可达85.16%以上。
附图说明
图1是本发明实施例3所述钠电正极前驱体的SEM图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种钠电正极前驱体,所述钠电正极前驱体的制备方法如下:
(1)将硫酸镍、硫酸亚铁和硫酸锰溶液按照摩尔比分别为0.25:0.5:0.25的比例配置浓度为2mol/L镍铁锰混合金属盐A液;配置浓度为1mol/L氨水溶液和2mol/L液碱溶液,在1m3的反应釜中加入氨水络合剂、液碱、纯水作为底液,通入惰性气体作为保护气以防止反应过程中Mn和Fe的氧化,当底液的pH达到11.2、氨水浓度达到7g/L的范围内时,将溶液A、氨水络合剂和氢氧化钠溶液按照溶液A的流量为30kg/h,氨水的流量3kg/h,液碱的流量为10kg/h的进料速度加入到反应釜中,在52℃,搅拌速度为350rpm的条件下反应50h,得到一种粒径为2.5μm的Ni0.25Fe0.5Mn0.25(OH)2球形颗粒;
(2)将5-羟基间苯二甲酸溶于甲醇中配制成2mol/L的B溶液,将四水硫酸锆溶于去离子水中,配置成浓度为1mol/L的锆盐溶液,将反应釜中的前驱体颗粒作为基体,将溶液B、硫酸锆溶液分别以1L/h和8L/h的进料速度继续加入到反应釜中与前驱体基体进行反应,反应过程中维持反应的pH在7-7.5之间,在50℃下反应3h,搅拌转速为350pm,之后陈化2h,得到Zr-MOF@Ni0.25Fe0.5Mn0.25(OH)2钠电正极前驱体,其中Zr含量为1000ppm。
实施例2
本实施例提供了一种钠电正极前驱体,所述钠电正极前驱体的制备方法如下:
(1)将硫酸镍、硫酸亚铁和硫酸锰溶液按照摩尔比分别为0.34:0.33:0.33的比例配置浓度为2mol/L镍铁锰混合金属盐A液;配置浓度为2mol/L氨水溶液和2mol/L液碱溶液,在1m3的反应釜中加入氨水络合剂、液碱、纯水作为底液,通入惰性气体作为保护气以防止反应过程中Mn和Fe的氧化,当底液的pH达到10.5、氨水浓度达到8g/L的范围内时,将溶液A、氨水络合剂和氢氧化钠溶液按照溶液A的流量为40kg/h,氨水的流量4kg/h,液碱的流量为15kg/h的进料速度加入到反应釜中,在58℃,搅拌速度为320rpm的条件下反应60h,得到一种粒径为5μm的Ni0.34Fe0.33Mn0.33(OH)2球形颗粒;
(2)将均苯三甲酸溶于甲醇中配制成2mol/L的B溶液,将硫酸镁溶于去离子水中,配置成浓度为2mol/L的硫酸镁溶液,将反应釜中的前驱体颗粒作为基体,将溶液B、硫酸镁溶液分别以2L/h和10L/h的进料速度继续加入到反应釜中与前驱体基体进行反应,反应过程中维持反应的pH在7.5-8之间,在55℃下反应3h,搅拌转速为300pm,之后陈化2h,得到Mg-MOF@Ni0.34Fe0.33Mn0.33(OH)2钠电正极前驱体,其中Mg含量为5000ppm。
实施例3
本实施例提供了一种钠电正极前驱体,所述钠电正极前驱体的制备方法如下:
(1)将硫酸镍、硫酸亚铁和硫酸锰溶液按照摩尔比分别为0.6:0.2:0.2的比例配置浓度为3mol/L镍铁锰混合金属盐A液;配置浓度为2mol/L氨水溶液和4mol/L液碱溶液,在1m3的反应釜中加入氨水络合剂、液碱、纯水作为底液,通入惰性气体作为保护气以防止反应过程中Mn和Fe的氧化,当底液的pH达到11.5、氨水浓度达到10g/L的范围内时,将溶液A、氨水络合剂和氢氧化钠溶液按照溶液A的流量为60kg/h,氨水的流量8kg/h,液碱的流量为20kg/h的进料速度加入到反应釜中,在60℃,搅拌速度为350rpm的条件下反应70h,得到一种粒径为15μm的Ni0.6Fe0.2Mn0.2(OH)2球形颗粒;
(2)将1,2,4,5-苯四羧酸溶于甲醇中配制成2mol/L的B溶液,将十八水硫酸铝溶于去离子水中,配置成浓度为3mol/L的铝盐溶液,将反应釜中的前驱体颗粒作为基体,将溶液B、硫酸铝溶液分别以3L/h和16L/h的进料速度继续加入到反应釜中与前驱体基体进行反应,反应过程中维持反应的pH在7-7.5之间,在65℃下反应8h,搅拌转速为250pm,之后陈化5h,得到Al-MOF@Ni0.6Fe0.2Mn0.2(OH)2钠电正极前驱体,其中Al含量为10000ppm。所述钠电正极前驱体的SEM图如图1所示。
实施例4
本实施例与实施例1区别仅在于,金属盐溶液的浓度为0.5mol/L,其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例5
本实施例与实施例1区别仅在于,金属盐溶液的浓度为4mol/L,其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例6
本实施例与实施例1区别仅在于,步骤(2)所述反应的pH为6.5,其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例7
本实施例与实施例1区别仅在于,步骤(2)所述反应的pH为8.5,其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例8
本实施例与实施例1区别仅在于,步骤(2)所述反应的温度为45℃,其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例9
本实施例与实施例1区别仅在于,步骤(2)所述反应的温度为70℃,其他条件与参数与实施例1完全相同。
对比例1
本对比例与实施例1区别仅在于,不包覆Zr-MOFs,其他条件与参数与实施例1完全相同。
性能测试:
将实施例和对比例制得前驱体在400℃的马弗炉中预烧4h,得到具有镍铁锰氧化物,将镍铁锰氧化物与碳酸钠在研钵中混合均匀后,再在900℃条件下煅烧10h,得到一种外层包覆金属的镍铁锰钠电正极材料,将实施例和对比例所制备的正极材料组装成纽扣电池进行电化学测试,性能测试参数为:
可逆容量测试:半电池在0.1C的电流密度下初始充放电,电压范围为2-4.2V。
循环性能测试:半电池在1C下循环100次,电压范围为2-4.2V。
测试结果如表1所示:
表1
由表1可以看出,由实施例1-3可得,本发明所述前驱体制成钠电正极材料后制得电池的可逆容量可达136.28mA/hg以上,0.1C循环100圈后的容量保持率可达85.16%以上。
由实施例1和实施例4-5对比可得,本发明所述钠电正极前驱体的制备过程中,金属盐溶液的浓度会影响其性能,将金属盐溶液的浓度控制在1~3mol/L,制得钠电正极前驱体的性能较好,若金属盐溶液的浓度过高,反应过程中颗粒成长速度过快,导致球形度和分散性较差。若金属盐溶液的浓度过低,在前驱体颗粒生长过程中,易形成新的晶核,从而导致颗粒均匀性和一致性较差。
由实施例1和实施例6-7对比可得,本发明所述钠电正极前驱体的制备过程中,步骤(2)所述反应的pH会影响其性能,将反应的pH控制在7~8,制得钠电正极前驱体的性能较好,若反应的pH过高,在共沉淀过程中金属离子沉淀速度过快,且无法控制Ni2+、Co2+和Mn2+均匀沉淀,形成颗粒无法成球。若反应的pH过低,反应过程中颗粒生长速度过快,易团聚,样品球形度和分散性较差。
由实施例1和实施例8-9对比可得,本发明所述钠电正极前驱体的制备过程中,步骤(2)所述反应的温度会影响其性能,将反应的温度控制在50~65℃,制得钠电正极前驱体的性能较好,若反应的温度过高,Mn(OH)2、Co(OH)2和Co(NH3)6 2+的氧化趋势会增加,且沉淀时的氨更容易挥发,氨的损失易造成体系中金属离子的配位作用下降,导致沉淀速率加快。若反应的温度过低时,会增加沉淀对杂质离子的吸附,溶液内离子的“热运动”降低,很难获得纯度高,粒度大的颗粒。
由实施例1和对比例1对比可得,本发明主要通过纳米湿法包覆技术在前驱体外层包覆一种金属有机骨架化合物(Y-MOF),该Y-MOF是由金属与有机羧酸进行配位合成的,是一种无限有序的层状结构化合物,在纳米级别高度有序,能够紧密均匀的包覆在镍铁锰的表面。克服了包覆元素不均匀的问题,从而改善了钠电正极材料的循环稳定性和倍率性能。
申请人声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属技术领域的技术人员应该明了,任何属于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,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种钠电正极前驱体的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1)将镍源、锰源和铁源混合得到三元盐溶液,将所述三元盐溶液、碱液和络合剂并流加入底液进行共沉淀反应,得到三元前驱体;
(2)以所述三元前驱体为基体,将羧酸溶液和金属盐溶液并流加入反应容器与基体进行包覆反应,陈化后得到所述钠电正极前驱体。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述镍源包括硫酸镍、硝酸镍或氯化镍中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述锰源包括硫酸锰、硝酸锰或氯化锰中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述铁源包括硫酸亚铁、硝酸亚铁或氯化亚铁中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述三元盐溶液的浓度为2~4mol/L。
3.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述碱液包括氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或氢氧化钾溶液中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述碱液的浓度为2~4mol/L;
优选地,所述络合剂包括氨水;
优选地,所述氨水的浓度为1~3mol/L;
优选地,所述底液包括络合剂、碱液和水;
优选地,所述底液的pH为10~12;
优选地,所述底液中络合剂的浓度为7~11g/L。
4.如权利要求1-3任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述三元盐溶液的流速为30~60kg/h;
优选地,所述碱液的流速为3~8kg/h;
优选地,所述络合剂的流速为10~20kg/h;
优选地,所述共沉淀反应的温度为45~70℃;
优选地,所述共沉淀反应的时间为50~70h;
优选地,所述共沉淀反应的搅拌速度为120~400rpm。
5.如权利要求1-4任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述羧酸溶液的溶质包括5-羟基间苯二甲酸、均苯三甲酸或1,2,4,5-苯四羧酸中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述羧酸溶液的溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、甲醇、乙醇或丙醇中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述羧酸溶液的浓度为1.8~2.2mol/L;
优选地,所述金属盐溶液包括铝盐溶液、镁盐溶液、锆盐溶液、钙盐溶液、钛盐溶液或钨盐溶液中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述金属盐溶液的浓度为1~3mol/L。
6.如权利要求1-5任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述羧酸溶液的流速为1~3L/h;
优选地,所述金属盐溶液的流速为8~16L/h。
7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述包覆反应的pH为7~8;
优选地,所述包覆反应的温度为50~65℃;
优选地,所述包覆反应的时间为2~8h;
优选地,所述包覆反应的搅拌速度为250~350rpm;
优选地,所述陈化的时间为2~5h。
8.一种钠电正极前驱体,其特征在于,所述钠电正极前驱体通过如权利要求1-7任一项所述方法制得,所述钠电正极前驱体中,包覆金属的含量为1000~10000ppm。
9.一种钠电正极材料,其特征在于,所述钠电正极材料通过如权利要求8所述钠电正极前驱体经过一步烧结后与钠源混合,经二步烧结得到;
优选地,所述一步烧结的温度为400~600℃;
优选地,所述一步烧结的时间为3~6h;
优选地,所述钠源包括碳酸钠;
优选地,所述二步烧结的温度为800~1200℃;
优选地,所述二步烧结的时间为10~20h。
10.一种钠离子电池,其特征在于,所述钠离子电池包含如权利要求9所述的钠电正极材料。
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2023
- 2023-05-24 CN CN202310589774.1A patent/CN116477673A/zh active Pending
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