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钠离子电池正极材料技术路线分析

嘉峪检测网        2024-07-24 09:30

正极材料是钠离子电池关键构成材料,也是影响电池能量密度、循环性能、倍率性能等参数的重要因素。目前市面上钠离子电池正极材料技术路线主要为过渡金属氧化物、聚阴离子类化合物和普鲁士蓝类化合物。

 

过渡金属氧化物

 

过渡金属氧化物按形态结构可分为层状氧化物和隧道型氧化物通常用 NaxMO2(M为一种或多种过渡金属元素或其他掺杂元素) 表示。

 

·层状氧化物

 

层状氧化物属于插层型化合物,具有制备方法简单、技术转化容易、能量密度高和倍率性能优等特点,是钠离子电池的首选材料。

 

目前,钠电层状氧化物正极材料制备工艺主要有液相法和固相法两类。其中,除去原材料和具体的工艺参数,液相法与锂电正极材料制备工艺流程较为相似,且产线可兼容;而固相法相较于液相法,固相法具有制备工艺简单,成本较低等优势。

 

层状氧化物现阶段依然存在不可逆相变及在潮湿环境下稳定性较差等问题。为提高晶体结构稳定性以应对层状氧化物在脱嵌过程中的不可逆相变,山东华纳新能源提出功能性金属元素掺杂策略,解决了钠离子的半径过大导致脱嵌过程复杂相变的问题。此外,针对于层状氧化物吸水性较高或者与水-氧气(或二氧化碳)发生副反应等不利情况,山东华纳新能源通过控制材料碱度、PH值与游离钠等方式有效解决了以上问题。

 

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·隧道型氧化物

 

隧道型氧化物Na0.44MnO2具有独特的S型通道,具备较高的倍率性与稳定性,并且在空气和水中非常稳定,未来有望在水系钠电中使用。但其缺点是可逆容量低,极大限制了其在产业化过程中的广泛应用。

 

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聚阴离子类化合物

 

钠基聚阴离子类化合物是指由聚阴离子多面体和过渡金属离子多面体通过强共价键连接形成的具有三维网络结构的化合物,化学式为NaxMy(XaOb)Zw。聚阴离子类化合物具有电化学稳定性高,其在钠离子脱嵌过程中体积变化稳定,循环寿命可达4000-10000次。但聚阴离子类化合物存在导电性差的问题,往往需要采取碳包覆和掺杂等手段解决。

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普鲁士蓝类化合物

 

普鲁士蓝类化合物为过渡金属的氰化配位聚合物六氰基铁酸盐,化学式可表示为 NaxM1[M2(CN)6]1‐y·◽y·nH2O(0≤x≤2, 0≤y≤1)。普鲁士蓝类化合物开放的三维骨架结构具备间隙较大的特点,有利于钠离子电池在充放电过程中的脱嵌,具备可逆比容高、合成温度低的优势。但在实际研究中却出现了倍率性能差、循环不稳定、库伦效率低(≤90%)、含有结晶水和高温释放氰化物等问题。

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