[发明专利]一种以schwertmannite矿物为正极材料的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料以及含有该正极材料的锂离子电池。

背景技术

近年来，大容量锂离子电池被视为未来电动汽车、储能电站等大规模储能电池的主要选择，其应用研究不断增加。随着锂离子电池大型和巨型化需求的发展，电池成本已经成为锂离子电池发展的关键问题。目前，商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40％左右。传统的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂及磷酸铁锂等。钴酸锂材料价格昂贵且不能用于5Ah以上大电池；锰酸锂材料高温性能及容量衰减问题较为突出；磷酸铁锂材料导电性较差，导致其大电流充放电性能不理想。因此，开发价格低廉、性能优异的正极材料成为锂离子电池领域研究的热点。

作为储能电池正极材料最基本的条件就是：在电池充放电过程中能够使Li离子较快地、可逆地从材料结构中脱出和嵌入，即要求正极材料结构中具有一定尺寸的孔道。施氏矿物(schwertmannite)是一种含氧硫酸根的铁系矿物，1990年由德国学者Schwertmann和Bigham等在酸性矿井水中首次发现。其中文名译为“施威特曼石”，又译作“施氏矿物”，它的化学组分为Fe、S、O、H.Schwertmann等人通过实验证明Schwertmannite分子组成为Fe₈O₈(OH)_8-2x(SO₄)_x(1≤x≤1.75)。通过XRD与FT-IR可以确定Schwertmannite是与四方纤铁矿(β-FeOOH)同型的晶体。四方纤铁矿的结构基于单斜晶胞(单斜角90.630C)，晶胞由8个FeO₃(OH)₃而形成正八面体双链结构，双链共享边缘与b轴相平行。晶胞间共享临近链的转角，从而形成空腔结构。每单位晶胞中，有一个直径为0.5nm的空腔。这为锂离子的脱出和嵌入提供了通道。我们最近的研究发现，施氏矿物能够可逆的脱嵌锂，并且具有较高的容量，可以作为一类新的锂离子电池正极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以schwertmannite矿物为正极材料的锂二次电池。这种锂离子电池的schwertmannite矿物正极材料价廉易得，制备过程简单快速，并且具有较高的电化学活性，可实现较高的电化学容量。

为实现上述目的，本发明提供的以schwertmannite矿物为正极材料的锂离子电池在组成上包括正极、负极、隔膜、电解液；负极包括含锂的钛酸盐、金属锂或碳材料；正极和负极之间由浸泡了电解液的隔膜隔开；正极和负极分别涂敷在集流体上，并通过集流体与相互绝缘的电池壳两段相连；正极由施氏矿物、粘结剂和导电剂组成。

本发明提供的以schwertmannite矿物为正极材料的锂离子电池中所用的schwertmannite矿物的化学组成为Fe₈O₈(OH)_8-2x(SO4)_x(1≤x≤1.75)，其制备过程包括以下步骤：

(1)向三口烧瓶中加入一定量蒸馏水，在水浴中预热；

(2)称取一定量含铁化合物，倒入已预热的蒸馏水中，迅速插入机械搅拌桨，在一定温度下维持搅拌1h；

(3)停止搅拌，冷却，倾倒上清液，固体用蒸馏水洗涤3次；

(4)离心分离，冷冻干燥得到目标产物。

进一步的，所述步骤(1)中蒸馏水为100-500mL；

进一步的，所述步骤(1)中水浴温度为70-90℃；

进一步的，所述步骤(2)中含铁化合物为硫酸铁、硝酸铁、氯化铁、硫酸亚铁中的一种或多种；

所述schwertmannite矿物的制备过程简单，途径多样，所得schwertmannite矿物的结构形态为晶态或非晶态。

本发明所提供的以schwertmannite矿物为正极材料的锂离子电池中，所用的粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸酯、甲基纤维素、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物中的一种或多种。

所用的导电剂选自乙炔黑、石墨、中间相碳微球、金属粉中的一种或多种。