[发明专利]一种硼酸铁锂块状电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硼酸铁锂块状电极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为新一代的绿色高能电池，具有工作电压高、比能量高、自放电小、无记忆效应等优点，伴随其长循环寿命及高安全稳定性，小尺寸锂离子电池在小型数码设备供电方面已经占据了重要的地位，尤其是对于笔记本电脑、手机和个人数码产品等便携式电子工具。与此同时，大尺寸锂离子电池作为最有前景用于贮存新兴能源（如风能、太阳能、潮汐发电电能等）的储能设备和电动汽车和混合动力电动汽车的能量存储装置，可以缓解工业对化石燃料过度依赖，进而减少城市温室气体排放，人们更是对其赋予了极高的期望。然而随着科技不断发展，不论是小尺寸锂离子电池还是大尺寸锂离子电池，都迫切需要进一步提升其能量密度。

锂离子电池主要是由正极、负极、电解液和隔膜四个部分组成。现有技术中通常采用电极薄膜涂布技术来提高电池体积比容量，从而使电池的能量密度提高。对传统电极薄膜涂布技术而言，正极活性物质一般涂覆在作为集流体的铝箔上，传统LiFeBO₃正极片的制备流程包括：混合LiFeBO₃正极材料、导电剂、粘合剂制浆料→涂布→辊压→切割→干燥，从而获得LiFeBO₃正极片。该工艺过程复杂，需要粘合剂及多种工艺设备，电极制造成本高，请参见文献Nature2001(414):359-367所述。

传统电极薄膜涂布技术其最大缺点在于电极制备过程中，薄膜总厚度较小（小于100nm）。并且，在电极薄膜中，又有约50%体积分数由非电化学活性物质占有，包括金属基集流体、低密度导电添加剂（用于改善电子、离子在正极材料内部界面之间的传导性能）等。对于实际商业电池，绝缘聚合物粘结剂的添加，如聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)，又是必不可少的。而为了能够将这些绝缘聚合物粘结剂溶解，还要用到昂贵的、有毒的、挥发性有机化合物，通常情况下是n-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。

铁是我国优势矿产，已经探明的铁资源储量位居世界第五位，约占全球总储量9.0%，并且地壳中铁含量也是非常高，其丰度为4.75%，在所有元素中位居第四位。聚阴离子化合物铁系正极材料理论质量比容量普遍较高，但用在电极薄膜涂布技术中依然很难使锂离子电池体积比容量得到更大的改善。

我国也是一个硼矿资源大国，已探明储量占世界硼矿储量的16%，居世界第四位。硼酸铁锂(LiFeBO₃)作为一种具有较高比容量的新型聚阴离子正极材料，就结构而言，采用摩尔质量较小的(BO₃)^3-聚阴离子，可达到220mAh/g的高理论比容量。同时，硼酸铁锂这种结构使其具有更好的导电性(电导率为3.9×10^-7S/cm)，充放电前后具有极小的体积变化率(约2%)，良好的可逆性以及优异的化学及电化学稳定性等。因此，硼酸铁锂(LiFeBO₃)是一种极具有应用前景的锂离子电池正极材料，对其开展深入研究不仅具有重要的战略意义，还具有极大的经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种比容量大、循环稳定性好的高性能锂离子电池正极及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种锂离子电池正极的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）将锂源水溶液或悬浮液、三价铁源水溶液或悬浮液和硼源水溶液或悬浮液依次加入碳源水溶液中，得到混合溶液；

（2）将步骤（1）中得到的混合溶液干燥，得到硼酸铁锂前驱体；

（3）将步骤（2）中得到的硼酸铁锂前驱体与有机物进行混合，得到LiFeBO₃/C前驱体；

（4）将步骤（3）中得到的LiFeBO₃/C前驱体成型为块状，得到LiFeBO₃/C块状电极前驱体；

（5）将步骤（4）中得到的LiFeBO₃/C块状电极前驱体在惰性气氛保护下进行煅烧，得到锂离子电池正极。

本发明还提供了一种锂离子电池正极，所述正极为根据本发明提供的制备方法制备得到的。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明将LiFeBO₃/C块状电极前驱体煅烧，直接制备成块状电极装配成电池，不需要加粘合剂和铝箔涂覆，增加了正极材料的含量，优选时高达95%，提高了电极材料的能量和功率密度，一站式得到硼酸铁锂块状电极。