[发明专利]氟化碳酸盐材料及其制备方法、正极极片和电池

说明书

技术领域

本发明属于电池材料领域，具体地，本发明涉及一种氟化碳酸盐材料、其制备方法、正极极片和电池。

背景技术

随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，人们对高性能二次电池的需求日益迫切。特别是对材料的能量密度和循环稳定性要求更高。然而，正极材料的比容量低已成为一个瓶颈，限制其能量密度的增加。此外，由于含有储量较低的钴和镍等，传统正极材料如LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂和LiCoO₂等价格昂贵，因此有必要以储量丰富的过渡金属(如铁)为主体的电极材料替代传统正极材料。综合考虑正极材料结构的稳定性、安全性和成本等因素，人们研究了众多含聚阴离子如包含[SiO₄]^4-和[SO₄F]^3-的正极材料。其中，硼酸铁锂(LiFeBO₃)的可逆容量大于190mAh g^-1，该材料的倍率性能较差；硅酸铁锂(Li₂FeSiO₄)得充电容量达165mAh g^-1，但循环性能很差。类似地，LiFeSO₄F的容量衰减也较迅速。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种氟化碳酸盐材料及其制备和应用。

氟化碳酸盐A_aM_b(CO₃F)_c(b>0，c≥1)属于正交晶系Pmc21，化学式中至少包含过渡金属离子M和CO₃F^–离子。根据理论预测，当其中A为碱金属元素(Li,Na,K等)，M为过渡金属元素(Fe,Ni,Co,Mn,Cr及其任意组合)时，A_aM_b(CO₃F)_c具有非常好的动力学性能(电导率高、离子扩散系数大)和热力学性能(结构稳定、脱嵌反应电位高)，是非常有希望的高性能二次电池电极材料。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种氟化碳酸盐材料，该氟化碳酸盐材料由通式A_aM_b(CO₃F)_c(0≤a≤1，0<b≤1，c≥1)表示，其中A为碱金属元素，M为过渡金属元素或者对过渡金属进行掺杂、取代的元素；

优选地，所述碱金属元素为Li⁺、Na⁺或K⁺；所述过渡金属元素为Fe²⁺，Mn²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Sr²⁺，Cr³⁺，V³⁺，Zr⁴⁺，Sn⁴⁺，V⁴⁺，Mo⁴⁺，Mo⁵⁺，Ru⁴⁺，Nb⁵⁺，Sb⁵⁺中的一种或者多种；对过渡金属进行掺杂、取代的元素为Mg²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Ba²⁺，Al³⁺，B³⁺，Co³⁺，Si⁴⁺，Ti⁴⁺中的一种或多种。

优选地，所述氟化碳酸盐材料具有正交晶系晶体结构。

本发明的第二方面提供了第一方面所述的氟化碳酸盐材料的制备方法，所述方法为固相法，包含以下步骤：

(1)将碱金属氟化物和过渡金属碳酸盐按比例混合成前驱体；优选地，所述碱金属氟化物为氟化锂、氟化钠、氟化钾；更优选地，所述碱金属氟化物的量为碱金属化学计量的100wt％～108wt％；

(2)采用球磨的方法将所述前驱体均匀混合得到前驱体粉末；在所述前驱体中加入乙醇，采用球磨的方法将其均匀混合得到前驱体粉末；优选地，所述粉末与乙醇的质量比为1:1，磨球直径为1mm，3mm和5mm，磨球数量配比为3：1：1，球磨机转速为300转每分钟，球磨时间为8小时，球料比为1：1；