[发明专利]铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物及制备方法

说明书

本发明公开铁基聚阴离子化合物A_xFe₃P₅SiO₁₉，A为H、Li或Na；0＜x≤3。本发明还公开了含有上述新化合物的锂离子电池阴极材料以及该化合物的制备方法。本发明的A_xFe₃P₅SiO₁₉具有独特的化学性质,其铁离子可以发生氧化还原反应,同时实现H+、Li+或Na+离子能作化学嵌入以平衡充电的电荷交替。应用包括用于锂离子电池，钠离子电池和含水电池的阴极材料。此外，它还可用于选择性离子膜分离的应用，从混合阳离子的水溶液中分离出锂离子,作为锂回收的有效方法。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及铁基聚阴离子A_xFe₃P₅SiO₁₉化合物、其制备方法以及在锂离子、钠离子和/或含水电池中作为阴极材料的应用。

背景技术

目前锂离子电池技术应用广泛，从手提电子设备至汽车及无人飞机，用作主要供电系统。在实现无人车应用方面，电池较汽油驱动系统在自动燃料补充系统上能够提供更安全更可靠的条件，而锂离子电池较其他储能系统在能量密度方面提供较大优势。因此开发大容量/高功率的锂离子电池及其控制系统能进一步强化或拓展现有市场，尤其是民用及军用上可以带来新的发展契机。特斯拉是一个值得学习的成功案例,他们采用松下制造的锂离子电池成功实现其电动车储能系统在充电后能达到行驶约500公里的目标。这为人口众多的发展中国家减少对石油资源的依赖及二氧化碳排放提供可行的方案。车的电子化能改变设备运行及其维修型式，带动以电脑控制系统的发展。锂离子电池在能源危机及负荷调平方面亦能提供有效方案，通过以化学能方式储备各种再生能源。新应用将为生活带来便利，但同时也会促使现有电池技术在容量、工作电压、功率、耐久性、安全性、环保、可回收性及生产成本方面的改进。

自索尼1991年成功销售第一代锂离子电池，目前锂离子电池构造主要是以石墨为阳极,碳酸酯(1M LiPF6的碳酸乙烯酯(EC):碳酸二乙酯(DEC)混合溶液,EC:DEC＝1:1)为电解质，及钴酸锂(亦称锂钴氧)为阴极。理论上钴酸锂具高比容量(280mAh/g)，然而其层状结构及Co₃d/O₂p电子轨道重叠限制阴极材料的实际比容量。过度充电将导致锂空缺在晶体内形成有序排列，Co-O层亦容易释放氧气分子。为了保持良好的循环性下，只有约一半的锂离子能在钴酸锂晶体结构中循环，使其实际容量只有约140mAh/g[1-4]。该材料在大规模应用上亦存在安全问题(例如波音787事件)，钴酸锂电池在全充电状态下容易放热，导致钴酸锂分解为氧化钴及氧气分子(CoO₂(s)→CoO(s)+0.5O₂(g))，容易造成电池短路。含钴的废电池亦对泥土及水源造成严重污染。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术的不足，提供一种铁基聚阴离子A_xFe₃P₅SiO₁₉化合物、其制备方法以及在锂离子、钠离子和/或含水电池中作为阴极材料的应用。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请的第一面公开了铁基聚阴离子A_xFe₃P₅SiO₁₉化合物，A为H⁺、Li⁺或Na⁺；0＜x≤3。