[发明专利]一种高性能锂离子电池用硅酸亚铁锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用的正极材料及其制备方法，特别是涉及一种高性能锂离子电池用硅酸亚铁锂正极材料及其制备方法，属于离子电池材料技术领域。

背景技术

材料、能源和信息是人类社会赖以生存和发展的三大支柱。随着世界石油资源的危机，迫使人类竞相开发无污染、无公害并可再生的新能源，如太阳能、风能、氢能、电能、潮汐能、地热能和核能等，而作为能量储存装置的锂离子电池是合理利用这些能源的重要途径。锂离子电池行业的发展和锂离子电池的大规模应用休戚相关。伴随着手机、笔记本电脑、数码相机、数码摄像机、蓝牙耳机等日常使用便携式产品的普及化，二次电池的需求量也不断增加。锂离子电池在2000年以后逐步代替镍氢、镍镉成为便携式电器中的主要电源。锂离子电池正极材料是电池产业中极为关键的组成部分，其价格和性能直接影响着锂离子电池的广泛使用和推广。

自从2005年Nyten A等报道硅酸亚铁锂具有正交结构以来，硅酸亚铁锂的研究迅速引起了重视。硅酸亚铁锂材料原料丰富，价格便宜、无毒、环境友好、电子能带宽度较小，热稳定性好、安全性高，且从Li₂FeSiO₄的分子式可以看出，1个Li₂FeSiO₄分子带有2个Li，当提供一个电子时，其理论容量是166mAh/g，放电平台在3.1V区左右。当Li₂FeSiO₄提供2个电子时，相应的放电电压平台为4.8V区。这意味着它可能具有比LiFePO₄更大的容量，因此Li₂FeSiO₄很有可能成为下一代的锂离子电池正极材料。硅酸亚铁锂的主要缺点是其电子电导率不高，锂离子的扩散较慢，需要通过碳包覆处理或掺杂改性的方法等来提高其电导率。

目前，制备硅酸亚铁锂的方法包括固相烧结法、凝胶-溶胶法、水热合成法等。硅酸亚铁锂正极材料的制备技术已有报道，例如：中国专利：CN200910042848.X郭华军等，《一种硅酸铁锂正极材料的制备方法》，其特征主要包括：通过将三价铁盐、Na₂SiO₃与碱液并流加入到反应器，控制反应体系pH值，使三价铁与SiO₃^2-发生水解，经过滤、洗涤得到铁、硅的共沉淀物；然后将铁、硅共沉淀物与锂源化合物、草酸溶液及碳源化合物混合成浆状，球磨，将Fe³⁺还原为Fe²⁺，经干燥得到合成硅酸铁锂的前驱体材料；前驱体材料在保护性气氛下低温焙烧得到由纳米粒子组成的团聚型酸铁锂正极材料；中国专利：CN101540394A刘文刚等，《锂离子电池正极材料硅酸亚铁锂的制备方法》，其特征主要包括：将一定比例的锂盐、亚铁盐和二氧化硅混合物粉末充分研磨后，在惰性气氛下煅烧，得到硅酸亚铁锂锂离子电池正极材料；中国专利：CN101546828A孔令涌等，《一种纳米硅酸亚铁锂材料及其制备方法》，其特征主要包括：按化学计量比将锂源、铁源、硅酸根源、掺杂元素化合物溶于含络合剂的水溶液中，并加入经助剂分散的高导电碳纳米管做包覆材料，将所得溶液在100～200℃加热1～3小时得到凝胶，将所得凝胶在惰性气氛炉中烧结，反应温度为600～900℃，反应时间为3～16h；中国专利：CN101734675A童庆松等，《一种控制磷化铁的硅酸亚铁锂正极材料的制备方法》，其特征主要包括：按照反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸的摩尔比＝0.95～1.10∶0.95～1.10∶0.70～0.999∶0.001～0.429称量锂盐或锂盐水合物、亚铁盐或亚铁盐水合物、硅化合物、亚磷酸或亚磷酸水溶液，混合这几种反应物，再加入无水状态反应物合计重量的1％～20％的含碳化合物，以及无水状态反应物合计体积的0.10倍～10倍体积的湿磨介质，球磨混合，水浴加热后再球磨混合，在真空中加热干燥，然后在惰性气氛或弱还原气氛中，采用两段烧结法或程序升温两段烧结法制备含可控磷化铁的硅酸亚铁锂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高性能锂离子电池用硅酸亚铁锂正极材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所给出了一种高性能锂离子电池用硅酸亚铁锂正极材料是以锂源、铁源、硅源和碳源为原料，且使Li∶Fe∶Si的摩尔比为(1.98～2.05)∶(0.98～1.02)∶1，碳源的掺量为上述锂源、铁源、硅源三种物质混合物总质量的1～30％。