CN112830521B - 一种F掺杂P2-Na0.7MnO2电极材料及其制备方法 - Google Patents
一种F掺杂P2-Na0.7MnO2电极材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种F掺杂P2‑Na0.7MnO2电极材料及其制备方法。所述方法按钠盐和锰盐投料比为0.77：1，溶于酒精溶液中，搅拌均匀后，加入氟化物继续溶解，比例为总Na含量的25%‑50%；水浴加热并烘干研磨；在450℃烧结3h，再缓慢升温到950℃‑1050℃，保温后再降至室温得到所述电极材料。本发明通过F掺杂加宽了层间距进而提高了钠离子的扩散能力，使得材料倍率性、循环性能等电化学性能得以提升。
Description
技术领域
本发明属于电极材料制备技术领域，涉及一种氟掺杂P2-Na0.7MnO2电极材料及其制备方法和在钠离子电池中的应用。
背景技术
随着社会经济的不断发展，化石燃料的过度消耗以及由此引发的能源危机等问题逐渐引起了人们的关注，对清洁可再生如风能、太阳能等能源的需求不断提高，能否将可再生能源产生的电力高效率的整合并入电网体系，关键在于发展可持续、低成本的储能技术成为目前非常热门的研究课题。电化学储能***，尤其市二次电池体系，是满足这种需求强有力的竞争者，锂离子电池已广泛用于笔记本电脑、手机等便携式电子设备和电动车等方面，取得了巨大的成功且增长势头十分迅猛。
目前，除了锂离子电池以外，锂硫电池、钠离子电池和镁离子电池等其他各类电池技术因可持续、低成本和高容量等优势得到了研究者的广泛关注。Na与Li是同主族元素，储量丰富，Na资源均匀分布在全球且成本低廉。钠离子电池有可能取代大型储能设备中的锂离子电池，近年来对钠离子电池的研究引起了越来越多研究者的关注。
在众多钠离子电池正极材料中，层状过渡金属氧化物特别是钠锰氧化物具有高比容量和工作电压、易于制备、环境友好无毒性、成本低等特点，此外，与O3相结构相比， P2型锰基层状氧化物是一种极具潜力的钠离子电池正极材料，但纯P2相Na0.7MnO2材料由于相变很多，导致充放电过程体积变化很大，因此它的循环性能和倍率性能都不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种F掺杂P2-Na0.7MnO2电极材料及其制备方法。所述方法通过固相烧结进行F掺杂，显著提高材料电化学性能。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种F掺杂P2-Na0.7MnO2电极材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按钠盐和锰盐投料比为0.77：1，溶于酒精溶液中，搅拌均匀后，加入总 Na含量25％-50mol％的氟化物继续溶解，80℃水浴加热，干燥、研磨；
步骤2，450℃烧结3h，再缓慢升温到950℃～1050℃，保温一段时间后降至室温，得到F掺杂的P2-Na0.7MnO2粉末。
优选地，步骤1中，将钠盐和锰盐溶于70Vol％的酒精溶液中。
优选地，步骤1中，所述的钠盐为NaAc，锰盐为Mn(Ac)2，氟化物为NaF。
优选地，步骤2中，保温时间为10h。
优选地，步骤2中，升温速度为1℃/min。
优选地，步骤2中，降温速度为1℃/min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过F掺杂取代晶格中O的位置，扩宽了过渡金属氧化物层板之间的距离，加快了钠离子扩散的速率，使得材料的倍率性能、循环性能等电化学性能提升。
附图说明
图1是实施例1制备的P2-Na0.7MnO2粉末的XRD图谱。
图2是实施例1制备的P2-Na0.7MnO2粉末的SEM图。
图3是实施例1制备的P2-Na0.7MnO2粉末的mapping元素分布图。
图4是实施例1制备的P2-Na0.7MnO2粉末的在2-4V间的倍率曲线。
图5是实施例2制备的P2-Na0.7MnO2粉末的在2-4V间的CV曲线。
图6是对比例1、2、3、4制备的P2-Na0.7MnO2粉末的在2-4V间的循环曲线，分别对应(a)、(b)、(c)、(d)。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述。
下面实施例中涉及的电化学测试，皆是在以所做材料为正极、钠片为负极，1.0MNaClO4 in EC:DEC＝1:1Vol％with 5.0％FEC为电解液工作体系中进行的，测试仪器为新威电化学工作站。
实施例1
将NaAc、Mn(Ac)2按投料比为0.77：1，溶于浓度为70％的酒精溶液中，搅拌均匀后，加入NaF继续溶解，比例为总Na含量25％。80℃水浴加热并烘干研磨。马弗炉中 450℃烧结3h，按1℃/min的升温速度升温到950℃，保温10h按1℃/min的降温速度降至室温，研磨得到F掺杂的P2-Na0.7MnO2粉末。图1-图3分别是其XRD图谱、SEM图谱和TEM-mapping图谱，该材料在电压区间2-4V时的循环性能，所制备材料循环性能体现为：在500mA/g的电流密度下循环100圈之后容量衰减了5.0％，图4该材料在电压区间2-4V时的倍率性能，通过掺杂，倍率性能有所改善。
实施例2
将NaAc、Mn(Ac)2按投料比为0.77：1，溶于浓度为70％的酒精溶液中，搅拌均匀后，加入NaF继续溶解，比例为总Na含量40％。80℃水浴加热并烘干研磨。马弗炉中 450℃烧结3h，按1℃/min的升温速度升温到1000℃，保温10h按1℃/min的降温速度降至室温，研磨得到F掺杂的P2-Na0.7MnO2粉末。图5中，所制备材料CV曲线显示均为可逆相变。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是烧结温度为1050℃，温度过高烧出掺杂效果比低温差，比容量仍有明显衰减。
对比例2
本对比例与实施例2基本相同，唯一不同的是没有掺F，得到的产物在2-4V的电位区间内循环性能差，比容量有明显衰减。
对比例3
本对比例与实施例2基本相同，唯一不同的是F含量为25％，得到的产物在2-4V 的电位区间内，循环性能较于无掺杂的提高。
对比例4
本对比例与实施例2基本相同，唯一不同的是是F含量为50％，得到的产物在2-4V的电位区间内，高F含量导致循环性能下降。
图6为对比例1-4的材料在2-4V电压区间内的循环图(分别为a、b、c、d)，a图由于烧结温度过高，容量仍有明显衰减；b图由于未进行掺杂，材料的循环性能极差；c 图掺杂量适中，循环性能最佳；d图F掺杂过量，导致循环性能稍有下降。
Claims (8)
1.一种F掺杂P2-Na0.7MnO2电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按钠盐和锰盐投料比为0.77：1，溶于酒精溶液中，搅拌均匀后，加入总Na含量25%-40mol%的氟化物继续溶解，80℃水浴加热，干燥、研磨；
步骤2，450℃烧结3h，再缓慢升温到950℃~1000℃，保温一段时间后降至室温，得到F掺杂的P2-Na0.7MnO2粉末。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，将钠盐和锰盐溶于70Vol%的酒精溶液中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的钠盐为NaAc，锰盐为Mn(Ac)2，氟化物为NaF。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，保温时间为10h。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，升温速度为1℃/min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，降温速度为1℃/min。
7.如权利要求1-6任一所述的方法制备的F掺杂P2-Na0.7MnO2电极材料。
8.如权利要求1-6任一所述的方法制备的F掺杂P2-Na0.7MnO2电极材料在钠离子电池中的应用。
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