[发明专利]一种锂离子电池负极材料偏硅酸锂的高温固相制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种负极材料的制备方法，具体涉及一种锂离子电池负极材料偏硅酸锂的高温固相制备方法。 

背景技术

锂离子二次电池由于工作电压高、能量密度高、质量轻、体积小、内阻小、自放电少、循环寿命长、无记忆效应、对环境友好等特点，广泛应用于便携式微型设备、航天航空、动力汽车、通信电源、风能、太阳能、智能电网等兆瓦级储能电站等领域，展示了广阔的应用前景和巨大的经济效益迅，速成为各国电池产业的发展重点。 

锂离子电池由锂电池发展而来，1970年埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中容易形成锂结晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。1980年Armand提出“摇摆电池”的构想，采用低插锂电位的层间化合物代替金属锂作为负极，以高插锂电位的嵌锂化合物作为正极，组成没有锂金属的二次电池。1989年，Sony公司申请了以石油焦为负极、LiCoO₂为正极、LiPF₆溶于PC+EC混合溶剂作为电解液的二次电池体系的专利，并且一年后将其推向商业市场，从根本上解决金属锂负极在充放电过程中存在的枝晶穿透问题，使其安全性和循环性都得到了保障，并保持了锂电池电压高、容量大、重量轻等优点。 

随着SONY公司推出商品化的锂离子电池以及各种产品功能需求的多样化，世界范围内对锂离子电池相关材料的研究工作一直投入大量关注。尤其是在环境和能源都面临挑战的情况下，节能、低排放的电动汽车（EV）或混合动力汽车（HEV）引起极大关注并成为汽车研究与开发的一个重点，作为应用于其上的锂离子电池的要求也日益提升。尤其是对锂离子电池的输出功率、能量密度、安全性和电压等提出了更高的要求，推动了锂离子电池材料的研究。 

SONY率先在市场上推出的锂离子电池以LiCoO₂为正极材料、焦炭作为负极材料，它们具有可靠的性能和长的循环寿命，目前仍然广泛应用于手机、笔记本电脑、摄像机、平板电脑等各种便携的电子产品中。一直以来，层状石墨一直占据着商业化锂离子电池负极材料的主导地位。然而，以石墨作为负极有着巨大的安全隐患，尤其是在高功率电池，在充放电过程中温度升高可能和正极物质中脱出的氧气发生反应而诱发电池燃烧，另外随着温度的升高，碳负极容易和电解液发生放热反应，并生成可燃性气体，使锂离子电池发生燃烧。这制约了其在电动汽车（EV）或混合动力汽车（HEV）方面的进一步应用和发展。因此，寻找替代石墨的负极材料非常关键。 

近年来对锂离子电池负极材料的研究工作基本上围绕着如何提高质量比容量与体积比容量、首次充放电效率、循环性能、安全性能及降低成本这几方面展开。主要集中在以下几类：锡基复合氧化物、硅基复合物负极、过渡金属氧化物以及纳米新材料等。其中，尖晶石型钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）结构稳定，零应变，较大的离子扩散系数，安全性高，较宽的高低温性能，有非常好的循环性能。但是其电压平台（~1.55V）稍高，功率密度和能量密度不够（理论比容量为175mAh/g），有LTO量产能力的企业不多，成本较高。 

发明内容

本发明找到了一种工艺简单、原料来源丰富、适合于工业化生产的方法，即一种锂离子电池负极材料偏硅酸锂的高温固相制备方法。通过该方法合成的偏硅酸锂[Li₂SiO₃]具有优良循环性能、循环寿命及高库伦效率，且几十个循环之后其结构保持不变。 

本发明通过简单的工艺、廉价的原料合成偏硅酸锂[Li₂SiO₃]，该材料目前没有文献报告其作为锂离子电池负极材料。本发明内容表明，通过该方法合成的材料，特别是在惰性气氛下的高温固相法合成的碳包覆偏硅酸锂[Li₂SiO₃]材料，作为锂离子电池负极材料性能优异，嵌锂电位低（0.1~1V），循环性能优良，结构保持不变，有希望成为下一代锂离子电池负极材料。 

且针对偏硅酸锂电子电导率低的缺点，采用惰性气氛或还原气氛下高温固相法，对产物进行碳包覆，这些无定形碳可以有效的阻止纯相材料颗粒的团聚，增加电极材料的电子导电率，亦可减低电极极化。大大提高了其电导率和电化学性能。 

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：