[发明专利]一种介孔结构硅酸锰锂正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种介孔结构硅酸锰锂正极材料的制备方法，属于锂离子电池领域。

背景技术

面对日益严重的能源危机和环境污染问题，使用绿色材料及研发环境友好的锂离子电池材料是当务之急。电子产品的巨大需求和电动汽车电池等工业用电池潜在的巨大市场，使得开发高比容量、价格便宜、安全可靠的新一代锂离子电池成为化学电源研究领域的重点。锂离子二次电池具有工作电压高、能量密度大、安全性能好、循环寿命长、自放电率低等优点，因而被广泛应用于移动通讯、仪器仪表、计算机、电动运载工具等领域。

正极材料是影响锂离子电池的关键因素之一。目前商品化的锂离子电池正极材主要有LiCoO₂、LiFePO₄、Li₂MnO₄以及三元系材料，然而这些材料各自存在问题：LiCoO₂合成容易、充放电性能稳定，但是金属钴价格昂贵，且充电态LiCoO₂热稳定性差，安全性欠佳，不能满足电动车电源等动力型电池的需要；Li₂MnO₄成本低廉，但是由于Mn³⁺的溶解及Jahn-Teller效应使该材料循环性能不好，安全性能也不好；LiFePO₄材料的循环性能好，但电子导电率与振实密度很难同时提高。因此，开发比容量高、热稳定性好、价格低廉、安全性好的正极材料是进一步扩宽锂离子电池的应用领域并实现可持续发展的关键。

作为与LiFePO₄同是聚阴离子型正极材料的Li₂MnSiO₄，由于Mn资源丰富，有两个可自由脱嵌的锂离子而具有较大的理论比容量，以及具有较高的安全性和环境友好性而受到人们的关注。2006年，R.Dominko及其研究小组采用改进溶胶-凝胶法，用柠檬酸作为络合剂首次合成了Li₂MnSiO₄正极材料，得到了较为理想的电化学性能。由于硅酸盐原料易得，成本低，Li₂MnSiO₄理论容量高，循环电压高等优势，因此是极具发展潜力的新型锂离子电池正极材料。

Li₂MnSiO₄属正交晶系，空间群Pmn2₁，晶格常数a＝6.3109(9)，b＝5.3800(9)，c＝4.9662(8)与Li₃PO₄的低温结构相似。在Li₂MnSiO₄晶体中，Li、Si、Mn都与O形成四面体结构。由于强Si-O共价键的存在，Li₂MnSiO₄具有与LiFePO₄相同晶体结构稳定性。但也具有相同的缺陷：电子导电与离子导电能力差导致大电流放电性能极差。同时由于Mn³⁺的存在及其Jahn-Teller效应，使得其在循环过程中结构容易塌陷，循环性能变差。为了提高硅酸锰锂材料的电化学性能，一般采用细化材料的晶粒与颗粒、加入导电剂提高导电性等方法。

目前，文献报道的Li₂MnSiO₄的典型制备方法有高温固相合成法、溶胶-凝胶法、改性溶胶凝胶法等。目前合成的硅酸锰锂材料均为实体材料，没有介孔结构硅酸锰锂材料的报道。上述合成方法当中，传统的高温固相法需要较高的合成温度，得到的材料颗粒大，不利用硅酸锰锂电化学性能的提高；溶胶-凝胶合成的材料易团聚，密度低，对于提高电化学性能没有大的突破；上述方法得到的硅酸锰锂材料由于比表面积小、电子电导率低使得锂离子释放的量较少，电化学性能没有明显提高。因此需要一种制备方法来得到比表面积大、电子电导率高的介孔结构的硅酸锰锂正极材料。

发明内容

针对目前的制备方法得到的硅酸锰锂正极材料比表面积小、电子电导率低、电化学性能没有明显提高的问题，本发明提供了一种介孔结构硅酸锰锂正极材料的制备方法，所述方法在制备过程中加入硅基分子筛和含碳模板剂，得到比表面积大、孔径分布均匀、结构稳定、电化学性能良好的硅酸锰锂正极材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种介孔结构硅酸锰锂正极材料的制备方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一、液相反应

(1)将硅基分子筛或二氧化硅与含碳模板剂的混合物超声分散于锂盐的水溶液中，得到分散液；