本發(fā)明屬于電化學儲能，具體來說涉及一種高倍率性能鈉離子電池正極材料及其制備方法和應用。

背景技術：

1、為了緩解社會發(fā)展能源危機和環(huán)境污染的矛盾，鋰離子電池作為最主要的電化學儲能方式，在近20年有了長足的發(fā)展。然而，隨著鋰離子電池在動力電池和儲能領域進一步大規(guī)模使用，鋰資源分布不均、儲量較小且溢價嚴重的問題日益凸顯；因此，發(fā)展下一代具有優(yōu)異電化學性能和價廉的儲能體系顯得迫在眉睫，鈉作為鋰的同族元素，與鋰離子具有近似的電化學性質，也可作為離子搖椅電池使用，同時鈉離子電池由于價格相對低廉且原料資源豐富，在大規(guī)模儲能方面具有廣闊的應用前景，例如，自然發(fā)電、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、智能電網調峰、分布電站、后備電源或通信基站的大規(guī)模儲能設備等。到目前為止，鈉離子正極材料研究主要以層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍或普魯士白及其類似物等構成。其中，層狀過渡金屬氧化物naxtmo2因其比容量高、導電性好、環(huán)境友好與鋰電正極工藝路線接近且易于合成，成為了最有潛力大規(guī)模生產的材料。然而，鈉離子較大的半徑導致的動力學遲緩等問題限制了它的倍率性能。此外，層狀過渡金屬氧化物在充放電過程中會發(fā)生復雜的相變，也會造成材料結構不穩(wěn)定和循環(huán)性能較差。

2、因此，提高層狀氧化物鈉離子電池正極材料的擴散動力學和循環(huán)穩(wěn)定性是改善電池性能的重要方面。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高倍率性能鈉離子電池正極材料，所述高倍率性能鈉離子電池正極材料是p2相和o3相共存的結構。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供上述高倍率性能鈉離子電池正極材料的制備方法。

3、本發(fā)明的另一目的在于提供上述高倍率性能鈉離子電池正極材料在鈉離子電池中的應用。

4、本發(fā)明的目的是通過下述技術方案予以實現(xiàn)的。

5、一種高倍率性能鈉離子電池正極材料，其結構通式為na0.7ni0.3mn0.6sn0.03lixtiyo2，其中，0<x<0.07,0<y<0.07,x+y＝0.07。

6、作為優(yōu)選，0.03<x<0.06,0.01<y<0.04,x+y＝0.07。

7、作為再優(yōu)選，0.04<x<0.06,0.01<y<0.03,x+y＝0.07。

8、作為最優(yōu)選，x＝0.05，y＝0.02。

9、上述高倍率性能鈉離子電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：

10、步驟1，將na源、ni源、mn源、sn源、li源和ti源混合至均勻，得到第一物質，按物質的量份數(shù)計，所述na源中na、ni源中ni、mn源中mn、sn源中sn、li源中l(wèi)i和ti源中ti的比為0.735：0.3：0.6：0.03：1.05x：y；

11、在步驟1中，所述na源為碳酸鈉。

12、在步驟1中，所述ni源為氧化鎳。

13、在步驟1中，所述mn源為碳酸錳和氧化錳中的一種。

14、在步驟1中，所述sn源為二氧化錫。

15、在步驟1中，所述li源為碳酸鋰和氫氧化鋰中的一種。

16、在步驟1中，所述ti源為二氧化鈦。

17、在步驟1中，將na源、ni源、mn源、sn源、li源和ti源混合，球磨至均勻。

18、在上述技術方案中，所述球磨的轉速為300～1400rpm，球磨的時間為0.5～12h。

19、步驟2，將所述第一物質在空氣氣氛下于900～1000℃燒結1～12h，隨爐冷卻，得到高倍率性能鈉離子電池正極材料。

20、上述高倍率性能鈉離子電池正極材料在鈉離子電池中的應用。

21、在上述技術方案中，所述鈉離子電池包括液態(tài)鈉離子電池和固態(tài)鈉離子電池。

22、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

23、本發(fā)明的高倍率性能鈉離子電池正極材料是一種li、ti共摻雜的鎳錳錫層狀氧化物正極材料，其以ni、mn和sn為基本框架(ni、mn為活性元素，通過其變價貢獻容量；而sn為非活性元素，主要用于穩(wěn)定相晶格結構)，并摻雜li和ti元素，其中，摻雜li元素(li與鈉離子半徑相差不大或與鈉離子化學狀態(tài)相似)可改善或抑制相變的發(fā)生，并與氧發(fā)生氧化反應，抑制氧氣的溢出，降低體積變化；摻雜ti元素(ti有較大的直徑，其離子半徑大于鈉離子)可以增加層間距，起支撐作用，用來穩(wěn)定晶格，提高na+的擴散動力學、離子電導率，增強na+的擴散速率并提高結構穩(wěn)定性，從而提高倍率性能，并在高電壓下保持較好的容量和循環(huán)性能。li、ti共摻雜的協(xié)同作用顯著提高了鈉離子電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。由本發(fā)明的高倍率性能鈉離子電池正極材料制備所得鈉離子電池兼具高倍率性能和高循環(huán)穩(wěn)定性，在鈉離子電池尤其是快充型固態(tài)鈉離子電池中具有潛在應用價值。

技術特征：

1.一種高倍率性能鈉離子電池正極材料，其特征在于，其結構通式為na0.7ni0.3mn0.6sn0.03lixtiyo2，其中，0<x<0.07,0<y<0.07,x+y＝0.07。

2.如權利要求1所述高倍率性能鈉離子電池正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.一種高倍率性能鈉離子電池正極材料，其特征在于，其結構式為na0.7ni0.32mn0.6sn0.03li0.05o2。

4.如權利要求3所述高倍率性能鈉離子電池正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.如權利要求1或2所述高倍率性能鈉離子電池正極材料在鈉離子電池中的應用。

6.根據(jù)權利要求5所述的應用，其特征在于，所述鈉離子電池包括液態(tài)鈉離子電池和固態(tài)鈉離子電池。

7.根據(jù)權利要求5所述的應用，其特征在于，由高倍率性能鈉離子電池正極材料制備所得鈉離子電池在0.2c電流密度下的充電比容量高達152ma?h/g，放電比容量高達146ma?h/g。

8.根據(jù)權利要求5所述的應用，其特征在于，由高倍率性能鈉離子電池正極材料制備所得鈉離子電池在0.5c電流密度下的初始放電比容量高達150ma?h/g,循環(huán)100圈后容量保持率高達90％。

9.根據(jù)權利要求5所述的應用，其特征在于，由高倍率性能鈉離子電池正極材料制備所得鈉離子電池在1c電流密度下的初始放電比容量高達146ma?h/g,循環(huán)100圈后容量保持率高達95％。

10.根據(jù)權利要求5所述的應用，其特征在于，由高倍率性能鈉離子電池正極材料制備所得鈉離子電池在0.1c、0.2c、0.5c、1c、2c、5c、10c和20c的電流密度下的放電比容量分別高達148ma?h/g、151ma?h/g、147ma?h/g、141ma?h/g、130ma?h/g、115ma?h/g、96ma?h/g和81ma?h/g。

技術總結
本發(fā)明公開了一種高倍率性能鈉離子電池正極材料及其制備方法和應用，制備方法，包括：將Na源、Ni源、Mn源、Sn源、Li源和Ti源混合至均勻，得到第一物質；將第一物質在空氣氣氛下于900～1000℃燒結1～12h，隨爐冷卻，得到高倍率性能鈉離子電池正極材料。本發(fā)明的高倍率性能鈉離子電池正極材料是一種Li、Ti共摻雜的鎳錳錫層狀氧化物正極材料，Li、Ti共摻雜的協(xié)同作用顯著提高了鈉離子電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。由本發(fā)明的高倍率性能鈉離子電池正極材料制備所得鈉離子電池兼具高倍率性能和高循環(huán)穩(wěn)定性，在鈉離子電池尤其是快充型固態(tài)鈉離子電池中具有潛在應用價值。

技術研發(fā)人員：毛智勇,韓冰緣,董辰龍,陳靜靜,王欣欣,王達健
受保護的技術使用者：天津理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/30