[发明专利]一种碳包覆硅酸亚铁锂复合正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料制备技术领域，涉及锂离子电池正极材料的制备方法，具体为一种碳包覆硅酸亚铁锂复合正极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有电压高，比能量大，循环寿命长等优点，在便携式电子设备领域得到了广泛的应用，并逐步扩展到电动汽车动力电池、储能电池等领域。目前商品化的锂离子电池正极材料如层状钴酸锂、尖晶石型锰酸锂，但两者都存在或价格昂贵、或安全性差、或高温循环性能差等缺陷，难以满足动力电池的要求。与此相比，硅酸亚铁锂作为一种新型锂离子电池正极材料主要有以下几个优点：(1)比容量高，理论比容量为332mAh/g；(2)结构稳定，晶格中的Si-O键键能高，在满充电态和高温下都可以保持结构稳定，不会释放氧气引发安全事故；(3)原料来源广泛，铁、硅元素都是地壳中最丰富的元素，不存在原料短缺的问题；(4)绿色无污染，硅酸亚铁锂不含有任何有毒有害物质，不会对环境造成污染。

目前限制硅酸亚铁锂在锂离子电池领域广泛应用的瓶颈主要是该材料的电子电导率低以及锂离子迁移率低，现有解决方案主要有：1）通过离子掺杂增加材料的电子或空穴，提高材料本征离子迁移率；2）减小颗粒尺寸，缩短锂离子扩散距离；3）包覆碳、银等高电导率物质制备复合材料，提高材料电子导电性。其中，掺杂Mn²⁺、Al³⁺等离子虽然可以提高材料的导电性，但会牺牲材料的比容量或循环性能；而采用水热法、溶胶凝胶法等方法可以制备纳米级的硅酸亚铁锂材料，但制备工艺较复杂，生产周期长、成本高，难于工业化生产。碳包覆是通过在活性物质颗粒表面包覆一层几个纳米的高电导率的碳层，在不阻碍锂离子脱嵌的情况下提高材料的电子电导率；同时减少活性物质的团聚，细化晶粒以提高材料的比表面积；并且物理隔绝外界的水蒸汽和氧气。因此，碳包覆作为提高硅酸亚铁锂电学性能的有效方法成为了我们研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳包覆硅酸亚铁锂（Li₂FeSiO₄/C）复合正极材料的制备方法，克服了现有制备方法工艺复杂、生产周期长、成本高的缺陷。本发明首先采用液相法制备得到硅酸锂前驱体，再与廉价的三价铁源及碳源混合后一次烧结得到Li₂FeSiO₄/C复合正极材料。该方法工艺流程简单，制备周期短，成本低，节能环保，适合工业化生产；且制备得到Li₂FeSiO₄/C复合正极材料一致性高，颗粒分布范围窄，颗粒间团聚现象少，具有良好的电化学性能。

本发明的技术方案为：一种碳包覆硅酸亚铁锂（Li₂FeSiO₄/C）复合正极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1.按摩尔比Li∶Si=2∶1称取锂源和硅源，分别溶于相应溶剂后混合，控制pH值为9～14、反应5-24小时制备得硅酸锂前驱体；

步骤2.将步骤1所得硅酸锂前驱体与三价铁源按摩尔比Li₂SiO₃∶Fe=1∶1混合，再按硅酸锂前驱体质量的5%～20%的质量加入碳源，最后加入分散剂球磨5～15小时，取出浆料、烘干得前驱体粉末；

步骤3.将步骤2所得前驱体粉末于气氛保护下烧结，以2～10℃/min的升温速率升温至550～800℃，并保温5～15h，随炉冷却至室温，得到Li₂FeSiO₄/C复合正极材料。

优选的，所述三价铁源为三氧化二铁、硝酸铁或柠檬酸铁。所述硅源为Si(C₂H₅O)₄或活性SiO₂或SiO₂。所述锂源为Li₂CO₃、LiOH、Li₂C₂O₄、CH₃COOLi中的一种或一种以上的混合物。

所述碳源为蔗糖、葡萄糖、淀粉、聚乙二醇、羟甲基纤维素、乙炔黑中的一种或一种以上的混合物。

所述步骤2中的分散剂为去离子水、乙醇、丙酮中的一种或两种的混合物。

所述步骤3中气氛保护的保护性气体为N₂、Ar、CO₂、CO、H₂的一种或两种混合。