本發(fā)明屬于鈉離子電池，涉及一種鈉離子電池正極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)化進程的加速以及人類對能源需求的日益增長，石油和煤炭等化石燃料作為主要能源的地位開始受到挑戰(zhàn)。這些傳統(tǒng)能源不僅儲量有限，而且其開采和使用過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題越來越引起人們的關(guān)注。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，尋找可替代的傳統(tǒng)能源成為了全球研究的重點方向。在此背景下，清潔能源逐漸興起，成為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。其中，鋰電池技術(shù)的發(fā)展尤為引人注目，從早期的鋰金屬電池到如今廣泛應(yīng)用的鋰離子電池，鋰電池以其高效的能量密度和較長的使用壽命，在便攜式電子設(shè)備、電動汽車以及儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。

2、然而，近年來鋰離子電池的一個關(guān)鍵原材料——鈷酸鋰的價格急劇上漲，這不僅推高了鋰離子電池的制造成本，還引發(fā)了供應(yīng)鏈的不穩(wěn)定。與此同時，由于地殼中鈉元素儲量豐富且具有優(yōu)異的低溫性能和安全性，鈉離子電池作為一種潛在的替代方案逐漸進入公眾視野。鈉離子電池與鋰離子電池的工作機制相似，都是通過正負極之間的離子移動來實現(xiàn)充放電過程。

3、盡管如此，鈉離子電池相較于鋰離子電池存在一些固有的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，鈉離子電池的充電截止電壓遠低于鋰離子電池。這是因為，在高電壓條件下，過渡金屬氧化物中的金屬離子可能會遷移到負極，而氧離子則可能析出為氧氣，這種化學(xué)變化會導(dǎo)致正極材料結(jié)構(gòu)的不可逆變化，進而降低電池的整體性能和工作壽命。其次，較低的充電截止電壓也意味著鈉離子電池的充放電容量較小，即其能夠儲存和釋放的能量比鋰離子電池要少。因此，雖然鈉離子電池在資源豐富性和安全性方面具有明顯優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍需克服能量密度較低等問題。

4、中國專利申請文件(cn117497728a)公開了一種鈉離子電池正極材料，其納米包覆材料中含碳酸鈣或氧化鈣，碳酸鈣會與電解液中的酸反應(yīng)，消耗電解液；而氧化鈣對水分敏感，易與空氣中水分反應(yīng)形成氫氧化鈣并產(chǎn)生大量熱，這些反應(yīng)都會破壞包覆層，影響性能。

5、中國專利申請文件(cn117117174a)公開了一種鈉離子電池正極材料及其制備方法和應(yīng)用，其提及的包覆材料中，wo3可與正極材料表面的殘堿和電解液中的氫氟酸反應(yīng)；sro易吸收空氣中水分和二氧化碳，吸水可反應(yīng)生成氫氧化鍶,但是這些都會破壞包覆層，影響材料性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提出了一種鈉離子電池正極材料，改善電池在高電壓下的性能，提高容量，最終延長電池的工作壽命。

2、本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、一種鈉離子電池正極材料，所述鈉離子電池正極材料的化學(xué)通式為naanibfecmndo2aeb，

4、其中0.88≤a≤1，a+e×2＝1，0.2≤b≤0.4，0.2≤c≤0.4，0.2≤d≤0.4，b+c+d＝1，0.001≤e≤0.06；

5、其中，a元素為ca、sr、ba、mg中的至少一種，b為磷酸鋯鋅。

6、本發(fā)明通過a元素少量摻雜和b包覆來提升鈉離子電池正極材料在高電壓條件下的穩(wěn)定性。這種方式能夠在不顯著改變材料基本結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的前提下，有效地改善材料的電化學(xué)性能。具體來說，a和b的加入可以增強正極材料在高電壓狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止過渡金屬離子向負極遷移以及氧的析出，從而避免正極材料因高電壓而導(dǎo)致的不可逆結(jié)構(gòu)變化，進而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命。通過這種方式，本發(fā)明不僅提高了鈉離子電池在高電壓下的性能，還維持了材料本身的結(jié)構(gòu)完整性，確保了電池在整個生命周期內(nèi)的高效能運作。此外，該材料的設(shè)計還考慮到了實際應(yīng)用的需求，通過精確控制摻雜量，使得材料在保持原有優(yōu)點的同時，進一步提升了其在實際應(yīng)用場景中的可靠性和經(jīng)濟性。

7、在上述的一種鈉離子電池正極材料中，b為包覆層，包覆層厚度為20-70nm。本發(fā)明需要控制包覆層厚度為20-70nm，如果包覆層過于薄，則無法有效地隔絕正極材料主體與電解質(zhì)之間的直接接觸。在這種情況下，正極材料在充放電過程中可能會與電解質(zhì)發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞，進而影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命。相反，如果包覆層過于厚，則會增加材料的歐姆極化，從而影響界面處的電荷傳輸效率。這意味著，在充放電過程中，電子和離子需要穿過更厚的包覆層才能完成轉(zhuǎn)移，增加了電荷傳遞的阻力，降低了電池的整體能量效率。此外，過厚的包覆層還可能導(dǎo)致材料的重量增加，進而影響電池的能量密度。

8、本發(fā)明還提供了一種上述鈉離子電池正極材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：

9、s1、將鈉源、a源、鎳鐵錳前驅(qū)體均勻混合后進行保溫?zé)Y(jié)，自然冷卻后進行破碎處理得燒結(jié)產(chǎn)物；

10、s2、將磷酸鹽、鋅源和鋯源混合均勻并用乙醇浸潤，經(jīng)球磨和保溫干燥后得到b；

11、s3、將燒結(jié)產(chǎn)物和b進行保溫?zé)Y(jié)得鈉離子電池正極材料。

12、作為優(yōu)選，鈉源包括碳酸鈉和草酸鈉中的至少一種。

13、作為優(yōu)選，磷酸鹽為磷酸二氫銨。

14、鋅源包括含鋅元素的氫氧化物和鹽。

15、進一步優(yōu)選，鋅源為氫氧化鋅。

16、鋯源包括含鋯元素的氫氧化物和鹽。

17、進一步優(yōu)選，鋯源為氫氧化鋯。

18、在上述的一種鈉離子電池正極材料的制備方法中，步驟s1燒結(jié)溫度為900-990℃，時間為14-17h。本發(fā)明需要控制燒結(jié)溫度為900-990℃，時間為14-17h，這一范圍內(nèi)的溫度能夠確保材料的充分燒結(jié)而不產(chǎn)生雜相，同時避免了因溫度過高導(dǎo)致的材料性能惡化，合理的燒結(jié)溫度和時間不僅有助于獲得純凈的正極材料，還能夠保證材料具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，有利于提高電池的綜合性能。

19、如果燒結(jié)溫度過低，例如低于900攝氏度，那么在燒結(jié)過程中可能會產(chǎn)生雜相。雜相的存在會影響材料的純度，進而導(dǎo)致電池的電化學(xué)性能下降。例如，雜相可能會降低材料的導(dǎo)電性，影響鋰/鈉離子的嵌入和脫嵌過程，從而降低電池的容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

20、如果燒結(jié)溫度設(shè)置得過高，超過990攝氏度，雖然可能不會產(chǎn)生明顯的雜相，但材料的性能會受到影響。高溫?zé)Y(jié)可能導(dǎo)致材料顆粒的過度生長和團聚，這不僅會增加顆粒間的接觸電阻，降低材料的導(dǎo)電性，還會使材料的比表面積減小，影響離子的擴散速度，最終導(dǎo)致電池的循環(huán)性能下降。此外，高溫還可能改變材料的晶體結(jié)構(gòu)，進一步影響其電化學(xué)行為。

21、在上述的一種鈉離子電池正極材料的制備方法中，步驟s2球磨轉(zhuǎn)速為350-450rpm，球磨時間為3-5h。

22、在上述的一種鈉離子電池正極材料的制備方法中，保溫干燥溫度為80-85℃，時間為4-6h。

23、在上述的一種鈉離子電池正極材料的制備方法中，步驟s3保溫?zé)Y(jié)溫度為600-850℃，時間為12-14h。

24、本發(fā)明還提供了一種鈉離子電池正極片，所述鈉離子電池正極片包括上述正極材料。

25、本發(fā)明還提供了一種鈉離子電池，所述鈉離子電池包括上述正極材料。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

27、1.本發(fā)明通過精確控制正極材料的化學(xué)配比，確保了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和電化學(xué)活性的最大化?；瘜W(xué)通式的嚴格定義有助于保證材料在不同電壓區(qū)間內(nèi)保持良好的結(jié)構(gòu)完整性，避免了過渡金屬離子遷移和氧析出等現(xiàn)象的發(fā)生，從而減少了正極材料因高電壓而引發(fā)的不可逆結(jié)構(gòu)變化；

28、2.本發(fā)明通過在正極材料表面形成一層由磷酸鋯鋅構(gòu)成的包覆層，進一步增強了材料的穩(wěn)定性。這層包覆層不僅能有效阻止電解液與活性物質(zhì)直接接觸，減少副反應(yīng)的發(fā)生，還能在一定程度上緩解材料在循環(huán)過程中的體積變化，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和整體壽命。