正极材料及其制备方法、正极极片及电池与流程

本申请涉及储能，具体涉及一种正极材料及其制备方法、正极极片及电池。

背景技术：

1、随着储能技术的不断发展，钠离子电池因其高稳定性和安全性备受关注。na4fe3(po4)2p2o7(nfpp)作为一种铁基磷酸盐类聚阴离子材料具有三维钠离子扩散通道及较高的理论克容量，但是nfpp的粉末压实密度较低，且当将nfpp应用于正极极片时，正极极片的压实密度也偏低，这限制了电池的能量密度的提高。

技术实现思路

1、鉴于此，本申请提供一种正极材料及其制备方法、正极极片及电池。所述正极材料具有较高的压实密度。

2、本申请提供了一种正极材料，所述正极材料包括铁基磷酸盐材料，所述铁基磷酸盐材料包括第一活性材料及第二活性材料，其中，所述第一活性材料的化学式为na4fe3(po4)2p2o7，所述第二活性材料的化学式为na2fep2o7；所述铁基磷酸盐材料中铁元素与磷元素的摩尔比为a，a满足范围：0.55≤a≤0.75。

3、进一步地，在所述铁基磷酸盐材料中，所述第一活性材料的质量分数为b，所述第二活性材料的质量分数为c，其中，b的范围为：85％≤b＜100％；c的范围为：0＜c≤15％。

4、进一步地，所述正极材料的压实密度为ρ1，ρ1满足关系式：ρ1＝-37.04b2-67.41c+39.04。

5、进一步地，所述正极材料的压实密度ρ1的范围为：2.0g/cm3<ρ1≤2.3g/cm3。

6、进一步地，所述正极材料包括多个正极颗粒，所述正极颗粒包括包覆层及所述铁基磷酸盐材料，所述包覆层包覆于所述铁基磷酸盐材料的外周，所述正极材料的中值粒径d50满足范围：2μm≤d50≤5μm；所述正极材料的累计粒度分布百分数达99％时所对应的粒径d99的范围为：10μm≤d99≤30μm。

7、进一步地，在所述正极颗粒中，所述包覆层的质量分数a满足范围：1％≤a≤5％。

8、本申请还提供了一种正极材料的制备方法，用于制备本申请提供的正极材料，所述制备方法包括：提供钠源、铁源、磷源及碳源，通过将所述钠源、所述铁源、所述磷源及所述碳源混合得到浆料；对所述浆料进行砂磨、喷雾干燥，以得到中间颗粒；以及对所述中间颗粒进行烧结，以得到正极材料；所述正极材料包括包覆层及铁基磷酸盐材料，所述包覆层包覆于所述铁基磷酸盐材料的外周，其中，所述碳源碳化形成所述包覆层，所述钠源、所述铁源及所述磷源形成所述铁基磷酸盐材料，所述铁基磷酸盐材料包括第一活性材料及第二活性材料，其中，所述第一活性材料的化学式为na4fe3(po4)2p2o7，所述第二活性材料的化学式为na2fep2o7；所述铁基磷酸盐材料中铁元素与磷元素的摩尔比为a，a满足范围：0.55≤a≤0.75。

9、进一步地，所述对所述中间颗粒进行烧结，以得到正极材料包括：于温度t对所述中间颗粒进行烧结，以使得所述碳源碳化形成所述包覆层，所述钠源、铁源及磷源形成所述铁基磷酸盐材料，其中，t的范围为：470℃≤t≤580℃。

10、进一步地，所述对所述中间颗粒进行烧结的时间为t，t的范围为：10h≤t≤16h。

11、进一步地，所述提供钠源、铁源、磷源及碳源，通过将所述钠源、铁源、磷源及碳源混合得到浆料，包括：所述钠源中钠元素及所述铁源中铁元素的摩尔比α的范围为：1.33≤α≤1.82；所述铁源中铁元素及所述磷源中磷元素的摩尔比β的范围为：0.55≤β≤0.75。

12、进一步地，所述对所述浆料进行砂磨、喷雾干燥，以得到中间颗粒，包括：

13、对所述浆料进行砂磨得到细化浆料，所述细化浆料包括前驱颗粒，所述前驱颗粒的粒径d的范围为：d＜900nm；以及对所述细化浆料进行喷雾干燥，以得到所述中间颗粒。

14、本申请还提供一种正极极片，所述正极极片包括：正极集流体以及正极材料层，所述正极材料层设置于所述正极集流体的表面，所述正极材料层包括本申请提供的正极材料，或由本申请提供的正极材料的制备方法所得到的正极材料；其中，所述正极极片的极限压实密度ρ2的范围为：2.1g/cm3<ρ2≤2.5g/cm3。

15、进一步地，在所述铁基磷酸盐材料中，所述第一活性材料的质量分数为b，所述第二活性材料的质量分数为c，且c＝1-b，则所述正极极片的极限压实密度ρ2满足关系式：ρ2＝-49.38b2-89.87c+51.48。

16、本申请还提供了一种电池，所述电池包括：电解液、负极极片、隔膜以及本申请提供的正极极片，所述负极极片至少部分浸润于所述电解液中；所述隔膜位于所述负极极片的一侧，且至少部分浸润于所述电解液中；所述正极极片设置于所述隔膜背离所述正极极片的一侧且至少部分浸润于所述电解液中。

17、在本申请中，所述正极材料的铁基磷酸盐材料包括第一活性材料及第二活性材料，所述第一活性材料具有较高的理论克容量，当所述正极材料应用于正极极片且组装于电池时，所述电池具有较好的放电性能。此外，所述第二活性材料具有较高的理论密度，当所述第一活性材料与所述第二活性材料混合时，相较于在所述正极材料中只设置所述第一活性材料的方案，本申请提供的方案中的第二活性材料可有效提高所述正极材料的压实密度，当所述正极材料应用于正极极片时，所述正极极片的压实密度也能进一步提升，继而提升所述正极极片组装于电池时电池的能量密度。在本申请中，当所述铁基磷酸盐材料中铁元素及磷元素的摩尔比a满足范围0.55≤a＜0.75时，所述铁基磷酸盐材料中铁元素及磷元素的含量在合理的范围内，则在所述铁基磷酸盐材料中，所述第一活性材料的含量与所述第二活性材料的含量均在合理的范围内。一方面，所述第一活性材料有利于维持所述正极材料在所述电池的全工作电压范围内的克容量，使得当所述正极材料应用于正极极片且组装于电池时，电池具有较优的放电性能。另一方面，所述第二活性材料可有效提升所述正极材料的压实密度，使得当所述正极材料应用于正极极片且组装于电池时，所述电池具有较高的压实密度。当所述铁基磷酸盐材料中铁元素及磷元素的摩尔比a的值过大时，所述铁基磷酸盐材料中铁元素的含量过高，磷元素的含量过低，则在所述正极材料的制备过程中，将产生杂相nafepo4(nfp)，nfp的理论克容量远低于所述第一活性材料的理论克容量及所述第二活性材料的理论克容量，使得降低了所述正极材料在所述电池的全工作电压范围内的克容量，当所述正极材料应用于正极极片且组装于电池时，电池的循环性能较差。当所述铁基磷酸盐材料中铁元素及磷元素的摩尔比a的值过小时，所述铁基磷酸盐材料中铁元素的含量过低，磷元素的含量过高，则在所述铁基磷酸盐材料中，所述第一活性材料的含量较低，相应地，所述第二活性材料的含量较高，向所述第一活性材料中混合所述第二活性材料虽然能提高所述正极材料的压实密度，但所述第二活性材料的含量过高使得降低了所述正极材料在所述电池的全工作电压范围内的克容量，使得当所述正极材料应用于正极极片且组装于电池时，电池的放电性能较差。

技术特征：

1.一种正极材料，其特征在于，所述正极材料包括铁基磷酸盐材料，所述铁基磷酸盐材料包括第一活性材料及第二活性材料，其中，所述第一活性材料的化学式为na4fe3(po4)2p2o7，所述第二活性材料的化学式为na2fep2o7；所述铁基磷酸盐材料中铁元素与磷元素的摩尔比为a，a满足范围：0.55≤a≤0.75。

2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，在所述铁基磷酸盐材料中，所述第一活性材料的质量分数为b，所述第二活性材料的质量分数为c，其中，b的范围为：85％≤b＜100％；c的范围为：0＜c≤15％。

3.根据权利要求2所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料的压实密度为ρ1，ρ1满足关系式：ρ1＝-37.04b2-67.41c+39.04。

4.根据权利要求3所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料的压实密度ρ1的范围为：2.0g/cm3<ρ1≤2.3g/cm3。

5.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述正极材料包括多个正极颗粒，所述正极颗粒包括包覆层及所述铁基磷酸盐材料，所述包覆层包覆于所述铁基磷酸盐材料的外周，所述正极材料的中值粒径d50满足范围：2μm≤d50≤5μm；所述正极材料的累计粒度分布百分数达99％时所对应的粒径d99的范围为：10μm≤d99≤30μm。

6.根据权利要求5所述的正极材料，其特征在于，在所述正极颗粒中，所述包覆层的质量分数a满足范围：1％≤a≤5％。

7.一种正极材料的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至权利要求6任一项所述的正极材料，所述制备方法包括：

8.根据权利要求7所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述对所述中间颗粒进行烧结，以得到正极材料包括：

9.根据权利要求8所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述对所述中间颗粒进行烧结的时间为t，t的范围为：10h≤t≤16h。

10.根据权利要求7所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述提供钠源、铁源、磷源及碳源，通过将所述钠源、铁源、磷源及碳源混合得到浆料，包括：所述钠源中钠元素及所述铁源中铁元素的摩尔比α的范围为：1.33≤α≤1.82；所述铁源中铁元素及所述磷源中磷元素的摩尔比β的范围为：0.55≤β≤0.75。

11.根据权利要求7所述的正极材料的制备方法，其特征在于，所述对所述浆料进行砂磨、喷雾干燥，以得到中间颗粒，包括：

12.一种正极极片，其特征在于，所述正极极片包括：

13.根据权利要求12所述的正极极片，其特征在于，在所述铁基磷酸盐材料中，所述第一活性材料的质量分数为b，所述第二活性材料的质量分数为c，且c＝1-b，则所述正极极片的极限压实密度ρ2满足关系式：ρ2＝-49.38b2-89.87c+51.48。

14.一种电池，其特征在于，所述电池包括：

技术总结
本申请涉及一种正极材料及其制备方法、正极极片及电池。所述正极材料包括铁基磷酸盐材料，所述铁基磷酸盐材料包括第一活性材料及第二活性材料，其中，所述第一活性材料的化学式为Na<subgt;4</subgt;Fe<subgt;3</subgt;(PO<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;P<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;，所述第二活性材料的化学式为Na<subgt;2</subgt;FeP<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;；所述铁基磷酸盐材料中铁元素与磷元素的摩尔比为A，A满足范围：0.55≤A≤0.75。

技术研发人员：王雨钢,沈刘学,陈鹏伟,王巍,王铈汶
受保护的技术使用者：厦门海辰储能科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/5