[发明专利]正硅酸锂复合材料及其制备方法和应用

说明书

一种正硅酸锂复合材料及其制备方法和应用，属于储能技术领域。正硅酸锂复合材料包括：作为内核的金属掺杂正硅酸锂，以及包覆于内核的碳层，其中，金属掺杂正硅酸锂的化学式为Li₄Si_1‑yX_yO₄，0＜y≤0.2，X表示金属。上述正硅酸锂复合材料中应用于正极材料及锂电池材料中时，能够明显提高锂电池的首周充放电容量和循环性能。

技术领域

本申请涉及储能技术领域，具体而言，涉及一种正硅酸锂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因具有体积小、重量轻、比容量大、寿命长、无记忆效应等优点，被广泛应用于便携式电子设备、动力储能及电动汽车等领域，其中，锂离子电池正极材料则是锂离子电池更新换代的关键。目前商业化的锂离子电池正极材料钴酸锂正面临着资源紧缺、价格昂贵及对环境不友好等不足，而对磷酸铁锂的深入研究使其作为正极材料的锂离子电池逐步应用在各个领域。正硅酸锂作为一种锂离子导体材料，具有较高的锂离子传输性能，能够极大的提高锂电池的循环稳定性和倍率性能。目前正硅酸锂采用干法或湿法工艺合成，其中干法多为高温固相法，用二氧化硅和碳酸锂通过高温煅烧成正硅酸锂，但这种方法制成的正硅酸锂含杂质多，颗粒较大且不均匀。湿法合成工艺如硅溶胶-氢氧化锂合成法，该方法以硅溶胶与单水氢氧化锂反应制备，得到正硅酸锂溶液，但反应时间长，产品杂质含量高，储存时间短。

近年来，人们对正硅酸锂材料的合成进行过一定的研究，如现有的以硝酸锂作为锂源和氧化剂、以正硅酸乙酯作为硅源、以柠檬酸作为络合剂和燃料来制备正硅酸锂多孔材料的方法，制得的材料得平均粒径小于5um，但含有偏硅酸锂和碳酸锂等杂质；现有的公开了一种锂离子电池负极材料正硅酸锂的高温固相制备方法，其将碳源和硅源按一定比例混合，通过预处理、烧结反应得到正硅酸锂负极材料，并将其用作锂离子电池负极材料，首次充放电容量分别为108.5mAh/g和220.2mAh/g，但其首周充放电容量过低。

有鉴于此，特此提出本申请。

发明内容

本申请提供了一种正硅酸锂复合材料及其制备方法和应用，其能够有效改善上述至少一个技术问题。

本申请的实施例是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种正硅酸锂复合材料，其包括：作为内核的金属掺杂正硅酸锂，以及包覆于内核的碳层。

其中，金属掺杂正硅酸锂的化学式为Li₄Si_1-yX_yO₄，0＜y≤0.2，X表示金属。

上述正硅酸锂复合材料具有核壳结构，其中，“内核”为金属掺杂正硅酸锂，其包括正硅酸锂(化学式为Li₄SiO₄)框架和嵌入正硅酸锂颗粒中取代部分硅元素的金属元素，金属元素不仅能提高正硅酸锂的导电性和稳定性，还能催化激活正硅酸锂的电化学性能，促进其更好的释放充放电容量，碳层作为包覆于“内核”外的“壳”结构，可有效减小颗粒的比表面积、提高正硅酸锂复合材料的导电性，碳包覆层还可以增加颗粒间的电接触，促进锂离子的嵌入和脱出，提高锂电池材料的电化学性能。

上述正硅酸锂复合材料不仅能够直接作为正极活性材料，还可以作为补锂剂，能够明显提高电池的首周充放电容量和循环性能。

在第二方面，本申请示例提供了正硅酸锂复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

将锂源、硅源、有机碳源及掺杂金属源混合，在惰性气氛下烧结所得。

其中，掺杂金属源中的金属元素与硅源中Si的摩尔比为y:(1-y)，0＜y≤0.2；锂源中的Li与硅源中的Si摩尔比为(3.2-4.4)：1，有机碳源为固态。