[发明专利]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

本发明涉及一种硅酸亚铁锂/碳/碳纳米管复合正极材料及其制备方法，特别是一种存在锂空位的硅酸亚铁锂/碳/碳纳米管(Li_2-xFeSiO₄/C/CNTs(0＜x≤0.2)/C)复合正极材料，属于锂离子电池制造技术领域。

背景技术

随着人口的日益增加、不可再生能源(石油、煤炭、天然气等)的逐渐减少，以及人们环保意识的日益增强，迫使人们开发高效、环保、节能型的能源新材料。另外，国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)将高效能源材料技术列为重点发展的前沿技术之一，其中特别强调了高效二次电池材料及关键技术。而锂离子电池作为最新一代蓄电池，具有比能量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和对环境污染小等优点，迅速成为市场的主流电池产品。目前，商品化的锂离子电池已在便携式电器(如手提电脑、摄像机、移动电器)中得到普遍应用，开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始应用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。

对锂离子电池而言，正极材料占据着重要的地位，正极材料的性能和价格等是制约锂离子电池进一步向高能量、长寿命和低成本发展的瓶颈。因此，开发具有高电压、高比容量、良好循环性能和高性价比的正极材料是锂离子电池研究的重要内容。Li₂FeSiO₄作为一种新型的正极材料，与LiFePO₄正极相比，具有原料价格更廉价、与环境的亲和性更好，且Li₂FeSiO₄从分子式量上讲可，1mol Li₂FeSiO₄可以脱离2molLi，这就意味着容量可能会比LiFePO₄更大。Li₂FeSiO₄理论容量是166mAhg^-1(1mol Li₂FeSiO₄脱离1molLi)，放电平台为3.1V，首次循环后降为2.8V，其电化学循环性能很好，循环次数超过120次，容量只损失3％。但Li₂FeSiO₄的电导率不高，导致高倍率性能差，这成为其发展为可实用化高能电池的一道障碍，尤其在动力电池这一全球瞩目的领域，锂离子电池的高倍率工作特性决定其能否商业化应用的关键因素之一，因此提高Li₂FeSiO₄的高倍率性能成为目前人们关注的课题之一。

目前改善硅酸亚铁锂电化学性能的研究主要集中在提高该材料的电子导电性和离子导电性。本发明的发明人提出了一种以沥青为碳源制备的硅酸亚铁锂/碳复合正极材料(中国专利申请201010300470.1)，利用含芳香结构的沥青在热处理过程中碳化得到石墨化程度较高的碳，提高了硅酸亚铁锂的电子导电性，从而使得制备硅酸亚铁锂/碳复合正极材料具有较高的充放电容量、良好的循环性能。另外，本发明的发明人在此工作基础上进行改进，又提出了一种硅酸亚铁锂/碳/碳纳米管复合正极材料(中国专利申请201010198190.4)，利用碳纳米管的网络结构，把孤立的硅酸亚铁锂/碳颗粒连结起来，从而进一步提高了硅酸亚铁锂的电子导电性。由此可鉴，以沥青为碳源进行碳包覆和掺入碳纳米管，主要目的是解决硅酸亚铁锂的电子导电性差的问题。

本发明提出了一种新的思路，通过制备存在锂空位硅酸亚铁锂提高硅酸亚铁锂的离子导电性，以提高其高倍率条件下的比容量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提高硅酸亚铁锂高倍率条件下的比容量。

本发明的技术方案：

本发明提供一种存在锂空位的硅酸亚铁锂正极材料：Li_2-xFeSiO₄，其中0＜x≤0.2，优选0＜x≤0.1，更优的是0.01≤x≤0.05。

Li_2-xFeSiO₄的制备方法步骤如下：

按摩尔比Li∶Fe∶Si＝(1.8～2)∶1∶1，优选(1.9～2)∶1∶1的比例锂盐、亚铁盐和硅源在有机溶剂体系混匀，干燥，得到粉末状的前躯体，经600～800℃煅烧即得。

进一步地，本发明提供一种硅酸亚铁锂/碳(以下简称C)复合正极材料：Li_2-xFeSiO₄/C，其中0＜x≤0.2，优选0＜x≤0.1，更优的是0.01≤x≤0.05。