[发明专利]一种用矿物质制备锂离子电池负极活性材料的方法

说明书

本发明公开了一种用矿物质制备锂离子电池负极活性材料的方法。将天然锌精矿用行星球磨机在500转/分钟转速下研磨2～4小时得到锌精矿负极材料，然后将其与乙炔黑、PVDF按7︰2︰1质量比制作电极，组装锂电池。电化学测试结果表明，锌精矿具有较好的电化学反应可逆性，其反应平衡电位约为1.2V(vs.Li/Li⁺)，首次放电容量在800mAh/g以上，第50次充放电循环的比容量可达440mAh/g。锌精矿用作锂离子电池负极材料具有比容量高，反应电位合适，可逆性较好等特性，且具有资源丰富、价格低廉、回收价值高、环境友好等优点，本发明有望将天然锌精矿发展成为一种安全型高比容量锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，特别是将天然锌精矿制备锂离子电池负极活性材料的方法。

背景技术

锂离子电池以其高电压、高比能、长寿命等优点而获得了快速发展和广泛应用。随着电动汽车、储能领域对锂离子电池需求的增长，高能量密度、高安全、低成本等性能成为锂离子电池发展的主要方向。商业锂离子电池主要使用碳素负极活性材料，但碳素负极材料的理论比容量仅372mAh/g，并且存在安全隐患；目前研究较多的硅负极材料比容量很高，但存在体积膨胀和安全隐患(电位仅0～0.5V vs.Li/Li⁺)；钛酸锂长寿命、高安全、大电流性能好，但理论比容量低(175mAh/g)且成本较高。因此，很有必要研究开发具有高比容量、高安全、低成本等性能的新型锂离子电池负极材料。

锌精矿是天然矿物的浮选产品，其化学组成主要包含Zn、S、Fe、Cu、Au、Ag、SiO₂等天然成分，目前主要用途是冶炼锌产品，并副产硫酸及稀贵金属，其价格便宜，国际贸易量大。我们首次研究了锌精矿用于锂电池储锂的可行性，其比容量可达800mAh/g以上，脱嵌锂电位约1.2V(vs.Li/Li⁺)，并且具有电化学反应可逆性较好。因此，锌精矿用作锂电负极材料具有可逆性较好、比容量高、安全性好、资源丰富、价格低廉、回收价值高等突出优势，有望发展成为一种新型高性能锂离子电池负极材料。

发明内容

本发明的目的是提高天然锌精矿的电化学储锂性能，并将其用作锂离子电池负极活性材料。

具体步骤为：

(1)将取自选矿厂的锌精矿用QM-WX4型行星球磨机在500转/分钟转速下球磨2～4小时，得到锌精矿负极材料。

(2)将步骤(1)所得锌精矿负极材料、乙炔黑、聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂按7︰2︰1质量比在玛瑙研钵中充分研磨混合，滴加混合料质量0.5～5倍的分析纯N-甲基吡咯烷酮(NMP)继续研磨成均匀浆料，涂布于铜箔上并在烘箱中于100℃干燥8小时，冲片，称重，得到锌精矿电极片。

(3)以步骤(2)所得锌精矿电极片为正极，与金属锂片、Celgard2400膜、l moL/LLiPF₆的EC+EMC+DMC(体积比为l︰l︰l)溶液在充满氩气的手套箱中组装成CR2032型纽扣电池，然后测试其循环伏安和充放电性能。

所述锌精矿原料为满足国家有色金属行业标准规定的各种品级锌精矿产品。

所述锌精矿负极材料不局限于与金属锂片组装半电池，更重要的应用是与钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元、高镍、富锂锰、磷酸钒锂、硫等正极材料组成高能量密度、低成本、安全型锂离子电池。

所述锌精矿负极材料使用的电解液不局限于l moL/L LiPF₆的EC+EMC+DMC(体积比为l︰l︰l)溶液，其他以LiPF₆、LiClO₄、LiBF₄、LiBOB、LiAsF₆等为溶质的有机溶剂锂电池电解液均可使用。