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一种碱金属二次电池负极活性材料及其制备方法[发明专利]

一、背景技术

(1)碱金属二次电池作为便携式电子设备、电动汽车等领域的动力电源，其性能直接影响着产品的使用寿命和安全性。近年来，随着科技的不断发展，人们对电池的能量密度、循环寿命和安全性提出了更高的要求。锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优点，已成为目前市场上主流的二次电池。然而，锂资源的稀缺性和高成本限制了锂离子电池的大规模应用。因此，寻找新型碱金属二次电池负极材料成为研究热点。

(2)碱金属，如钠、钾等，具有丰富的资源、低廉的成本和与锂相似的化学性质，是理想的电池负极材料替代品。其中，钠离子电池因其资源丰富、成本低廉等优点，被认为是最有潜力的替代锂离子电池的材料。然而，钠离子电池在充放电过程中存在较大的体积膨胀收缩，导致电池结构不稳定，影响电池的循环寿命和安全性。为了提高钠离子电池的性能，研究人员对负极材料的结构、组成和制备方法进行了深入研究。

(3)目前，常用的钠离子电池负极材料主要有层状氧化物、聚阴离子化合物、金属硫属化合物等。其中，层状氧化物因其结构稳定、易于合成等优点，成为研究的热点。然而，传统的层状氧化物负极材料存在电子电导率低、循环稳定性差等问题。为了解决这些问题，研究人员通过引入过渡金属、掺杂元素或采用特殊的制备方法，对层状氧化物负极材料进行了改性。例如，通过掺杂过渡金属元素如Co、Mn等，可以提高材料的电子电导率和循环稳定性；通过引入掺杂元素如B、N等，可以改善材料的结构稳定性和电化学性能。

(4)在实际应用中，钠离子电池负极材料的制备方法对其性能有着重要影响。传统的制备方法如固相法、溶胶-凝胶法等存在制备工艺复杂、成本高、产率低等问题。近年来，随着纳米技术和材料科学的不断发展，新型制备方法如球磨法、喷雾干燥法、化学气相沉积法等逐渐应用于钠离子电池负极材料的制备。这些新型制备方法具有制备工艺简单、成本低、产率高、材料性能优异等优点，为钠离子电池负极材料的研究提供了新的思路。

(5)此外，为了进一步提高钠离子电池负极材料的性能，研究人员还从材料结构设计、界面修饰、复合改性等方面进行了深入研究。例如，通过设计具有高比表面积、高孔隙率的纳米结构，可以提高材料的电化学性能；通过界面修饰，可以改善电极材料与电解液的接触，提高电池的循环寿命；通过复合改性，可以结合不同材料的优点，制备出具有优异性能的复合负极材料。这些研究为钠离子电池负极材料的发展提供了新的方向。

二、发明内容

(1)本发明提供了一种新型碱金属二次电池负极活性材料，该材料主要由一种碱金属元素与一种过渡金属元素组成的复合氧化物。该复合氧化物具有高比容量、良好的循环稳定性和优异的倍率性能。具体而言，该负极活性材料由钠元素和钴元素组成，其化学式为NaCoO2。通过优化制备工艺，该材料的比容量可达250mAh/g，循环寿命超过1000次，倍率性能在1C下仍能保持200mAh/g。

(2)本发明的制备方法采用了一种新型的溶胶-凝胶法，该方法具有操作简便、成本低廉、产率高和材料性能优异等优点。首先，将钴盐和钠盐溶解于去离子水中，加入适量的稳定剂和催化剂，制备成前驱体溶液。然后，通过控制溶液的pH值、温度和搅拌速度，使前驱体溶液发生凝胶化反应，形成凝胶。最后，将凝胶干燥、煅烧，得到所需的NaCoO2复合氧化物。实验结果表明，采用本发明的方法制备的NaCoO2复合氧化物具有优异的电子电导率和结构稳定性。

(3)本发明的NaCoO2复合氧化物负极材料在电池中的应用效果显著。以该材料为负极，石墨为正极，电解液为LiPF6/EC:DMC=1:1的电池体系，在3.0V的电压下，该电池的首次放电比容量可达250mAh/g，循环100次后，容量保持率超过90%。此外，该电池在1C的倍率下，仍能保持200mAh/g的放电比容量，显示出良好的倍率性能。与现有的钠离子电池负极材料相比，本发明的NaCoO2复合氧化物负极材料具有更高的能量密度和更长的循环寿命，为碱金属二次电池的应用提供了新的解决方案。

三、实施方式

(1)实施本发明的方法首先制备前驱体溶液，将一定比例的钴盐（如Co(NO3)2·6H2O）和钠盐（如Na2CO3）溶解于去离子水中，加入适量的稳定剂（如聚乙烯吡咯烷酮PVP）和催化剂（如乙二胺EDTA），搅拌均匀。控制溶液的pH值在7-9之间，维持室温下搅拌1小时，使溶液充分混合。然后将混合溶液转移至烘箱中，以80℃的温度进行干燥处理，直至溶剂完全蒸发。

(2)干燥后的前驱体粉末在马弗炉中于450℃下煅烧2小时，以促进钴、钠离子的扩散和复合氧化物的形成。煅烧完成后，取出样品，自然冷却至室温。得到的NaCoO2复合氧化物粉末经X射线衍射（XRD）分析，确认其具有层状结构，晶粒尺寸在20-50