[发明专利]由微硅粉制备掺杂硅酸亚铁锂正极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种锂离子电池正极材料的制备方法。

技术背景

硅酸基正极材料Li₂FeSiO₄是最近几年出现的新型正极材料，有着和LiFePO₄相似的分子式，结构稳定，耐过充性能好；此外，Si比P资源更加丰富，Li₂FeSiO₄正极材料将更加廉价，随着技术的发展，未来可能由铁锈和沙子来制备高性能的Li₂FeSiO₄正极材料。因此，Li₂FeSiO₄正极材料是动力电池的理想正极材料，一旦廉价的高性能Li₂FeSiO₄正极材料开发成功，电动汽车就有可能步入我们的日常生活，成为我们有效的代步工具。但是，目前有关Li₂FeSiO₄的研究大多为计算机模拟研究或者是处于实验阶段。制备高性能Li₂FeSiO₄的硅源多为纳米SiO₂，价格昂贵，不适于大规模的生产。本发明提出了一种由硅铁企业生产时的废弃物微硅粉为硅源，制备高性能的Li₂FeSiO₄，具有价格便宜，易于大规模生产的优点。

微硅粉也叫硅灰或称凝聚硅灰。外观为灰色或灰白色粉末、耐火度＞1600℃。容重：200～250千克/立方米。是铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的二氧化硅(SiO₂)和Si气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成。微硅粉的化学成份SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、CaO和NaO，此外，还含有一部分碳。碳是制备掺杂Li₂FeSiO₄的理想导电成分，可以保留，不用除去；Al³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺是理想的掺杂金属离子，可以视情况予以保留。因此，微硅粉是制备Li₂FeSiO₄的一种可以利用的廉价硅源。同时，制备出的Li₂FeSiO₄为高附加值的锂离子电池正极材料，对于拓宽微硅粉的应用范围，变废为宝，推动微硅粉的产业升级等方面都有着重要的意义。

Li₂FeSiO₄的主要缺点是其电子电导率极低(室温下6×10^-14S·cm)，锂离子的扩散较慢，需要通过制备纳米Li₂FeSiO₄颗粒、或者碳包覆处理、金属离子掺杂改性的方法等来提高其电导率和离子传导率。例如：潘中来等的CN101764227A和CN101841016A都提出了制备碳掺杂或者碳/碳纳米管掺杂的Li₂FeSiO₄复合正极材料。该制备方法中，采用的硅源为SiO_2，同时为了得到纳米Li₂FeSiO₄颗粒，提高Li₂FeSiO₄的电化学性能，选用的是价格较为昂贵的纳米SiO₂，不利于制备价廉物美的Li₂FeSiO₄材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种由微硅粉制备掺杂硅酸亚铁锂正极材料的方法。

本发明是由微硅粉制备掺杂硅酸亚铁锂正极材料的方法，用微硅粉、碳源、锂源及铁源，在惰性气氛下经固相反应制备金属离子掺杂型的Li₂FeSiO₄/C复合正极材料，在固相反应过程中，微硅粉中三价Fe还原为二价Fe，其步骤为：

(1)称取500g的微硅粉，放入1L、浓度为4～6mol/L的盐酸溶液中，将溶液加热至沸腾，然后，过滤洗涤干燥得到处理过的微硅粉，同时用热重法确定微硅粉的含炭量，然后计算确定微硅粉中SiO₂含量、炭含量、Fe₂O₃含量；