[发明专利]复合硅酸盐与碳的复合材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种复合硅酸盐与碳的复合材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池。

背景技术

随着科学技术的进步，电子产品（移动电话、数码产品、笔记本电脑等）、电动汽车、医疗设备和航天航空等领域对储能设备的要求日益提高，目前已经开发出了聚阴离子型正极材料，主要有磷酸盐正极材料（LiMPO₄）与硅酸盐正极材料（Li₂MSiO₄）（其中，M=Mn、Fe、Co等）。与磷酸盐正极材料相比，硅酸盐正极材料理论上可以允许脱嵌两个锂，因而具有更高的理论比容量。且硅元素在地球上元素中含量第一、对环境和人类都没有危害，具有原料价格更低廉、与环境的亲和性更好等优势。另外，硅酸盐正极材料其具有开放性稳定的三维框架结构，在充放电嵌脱锂时，材料的结构重排较小，循环过程中可以保持良好的稳定性。因此，硅酸盐正极材料有望成为新一代的锂离子电池正极材料。

硅酸盐正极材料的合成方法主要有：固相法，溶胶凝胶法，水热合成法等。溶胶-凝胶法合成的硅酸盐正极材料一般颗粒细小，粒径分布均匀，结晶性能好，初始容量较高，但合成原料一般采用有机试剂，成本较高，难以实际应用。固相法合成硅酸盐正极材料，操作工艺简单，但合成的硅酸盐正极材料颗粒大，均匀性较差等，这些因素都会影响到硅酸盐正极材料的电化学性能。另外，硅酸盐正极材料电导率较低，倍率性能差，因而需要进行改性，目前一般通过固相法进行碳包覆或者掺杂等方法来改善其导电性。固相法对硅酸盐正极材料的碳包覆多采用的制备工艺需要先高温灼烧制备出硅酸盐正极材料，再将硅酸盐正极材料与碳源高温灼烧进行碳包覆，这样经过两步高温烧结的过程，且仅能在硅酸盐正极材料的表面包覆碳，而在硅酸盐正极材料的空隙内部没有碳，工艺较复杂，成本高。因此目前迫切需要开发一种工艺简单、材料性能优良，且适合大规模工业化生产的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种复合硅酸盐与碳的复合材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池，该制备方法可在复合硅酸盐的内部和空隙中均包覆碳，增强了复合硅酸盐与碳的复合材料的导电性、对电解液的抗腐蚀性、缓解了姜泰勒效应引起的体积变化效应。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种复合硅酸盐与碳的复合材料的制备方法，其中，复合硅酸盐的通式为Li₂Fe_xMn_(1-x)SiO₄，式中0≤x≤1，包括以下步骤：

（1）将锂的化合物、铁的化合物、锰的化合物、硅的化合物、碳源混合;

（2）在惰性气氛下灼烧得到Li₂Fe_xMn_(1-x)SiO₄与碳的复合材料。

优选的是，所述锂的化合物、所述铁的化合物、所述锰的化合物、所述硅的化合物的量按照取锂的摩尔数、铁的摩尔数、锰的摩尔数、硅的摩尔数的比值为Li∶Fe∶Mn∶Si=（2.04~2.12）∶x∶(1-x)∶1来称取。

优选的是，所述复合硅酸盐的通式为Li₂Fe_xMn_(1-x)SiO₄，式中0≤x≤0.7。

优选的是，所述碳源为蔗糖、聚丙烯腈、聚乙烯醇、酚醛树脂、聚氯乙烯、沥青中的一种或几种。

优选的是，所述碳源按照所述Li₂Fe_xMn_(1-x)SiO₄与碳的复合材料中碳含量为0.5wt%~10wt%来称取。

优选的是，所述锂的化合物为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、硝酸锂、氧化锂中的一种或几种；

和/或所述铁的化合物为醋酸铁、草酸亚铁、氯化亚铁、柠檬酸铁中的一种或几种；

和/或所述锰的化合物为醋酸锰、硝酸锰、碳酸锰、氯化锰中的一种或几种；

和/或所述硅的化合物为二氧化硅、正硅酸乙酯、硅酸、硅胶、液态硅烷中的一种或几种。

优选的是，所述步骤（2）中在惰性气氛下灼烧的具体方法为：将步骤（1）中所述混合物加热到300~500℃，保温1~10h；再加热到600~700℃，保温1~24h。