[發明專利]一種硼酸鐵鋰塊狀電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201310406639.5
• 申請日: 2013-09-09
• 公開（公告）號: CN104425799A
• 公開（公告）日: 2015-03-18
• 發明（設計）人: 褚衛國;何巖;王漢夫
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01M4/136
• 分類號: H01M4/136;H01M4/1397
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 李婉婉;張苗

技術領域

本發明涉及一種硼酸鐵鋰塊狀電極及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池作為新一代的綠色高能電池，具有工作電壓高、比能量高、自放電小、無記憶效應等優點，伴隨其長循環壽命及高安全穩定性，小尺寸鋰離子電池在小型數碼設備供電方面已經占據了重要的地位，尤其是對于筆記本電腦、手機和個人數碼產品等便攜式電子工具。與此同時，大尺寸鋰離子電池作為最有前景用于貯存新興能源（如風能、太陽能、潮汐發電電能等）的儲能設備和電動汽車和混合動力電動汽車的能量存儲裝置，可以緩解工業對化石燃料過度依賴，進而減少城市溫室氣體排放，人們更是對其賦予了極高的期望。然而隨著科技不斷發展，不論是小尺寸鋰離子電池還是大尺寸鋰離子電池，都迫切需要進一步提升其能量密度。

鋰離子電池主要是由正極、負極、電解液和隔膜四個部分組成。現有技術中通常采用電極薄膜涂布技術來提高電池體積比容量，從而使電池的能量密度提高。對傳統電極薄膜涂布技術而言，正極活性物質一般涂覆在作為集流體的鋁箔上，傳統LiFeBO₃正極片的制備流程包括：混合LiFeBO₃正極材料、導電劑、粘合劑制漿料→涂布→輥壓→切割→干燥，從而獲得LiFeBO₃正極片。該工藝過程復雜，需要粘合劑及多種工藝設備，電極制造成本高，請參見文獻Nature2001(414):359-367所述。

傳統電極薄膜涂布技術其最大缺點在于電極制備過程中，薄膜總厚度較小（小于100nm）。并且，在電極薄膜中，又有約50%體積分數由非電化學活性物質占有，包括金屬基集流體、低密度導電添加劑（用于改善電子、離子在正極材料內部界面之間的傳導性能）等。對于實際商業電池，絕緣聚合物粘結劑的添加，如聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)，又是必不可少的。而為了能夠將這些絕緣聚合物粘結劑溶解，還要用到昂貴的、有毒的、揮發性有機化合物，通常情況下是n-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。

鐵是我國優勢礦產，已經探明的鐵資源儲量位居世界第五位，約占全球總儲量9.0%，并且地殼中鐵含量也是非常高，其豐度為4.75%，在所有元素中位居第四位。聚陰離子化合物鐵系正極材料理論質量比容量普遍較高，但用在電極薄膜涂布技術中依然很難使鋰離子電池體積比容量得到更大的改善。

我國也是一個硼礦資源大國，已探明儲量占世界硼礦儲量的16%，居世界第四位。硼酸鐵鋰(LiFeBO₃)作為一種具有較高比容量的新型聚陰離子正極材料，就結構而言，采用摩爾質量較小的(BO₃)^3-聚陰離子，可達到220mAh/g的高理論比容量。同時，硼酸鐵鋰這種結構使其具有更好的導電性(電導率為3.9×10^-7S/cm)，充放電前后具有極小的體積變化率(約2%)，良好的可逆性以及優異的化學及電化學穩定性等。因此，硼酸鐵鋰(LiFeBO₃)是一種極具有應用前景的鋰離子電池正極材料，對其開展深入研究不僅具有重要的戰略意義，還具有極大的經濟和社會效益。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的缺陷，提供一種比容量大、循環穩定性好的高性能鋰離子電池正極及其制備方法。

為了實現上述目的，本發明提供了一種鋰離子電池正極的制備方法，該方法包括以下步驟：

（1）將鋰源水溶液或懸浮液、三價鐵源水溶液或懸浮液和硼源水溶液或懸浮液依次加入碳源水溶液中，得到混合溶液；

（2）將步驟（1）中得到的混合溶液干燥，得到硼酸鐵鋰前驅體；

（3）將步驟（2）中得到的硼酸鐵鋰前驅體與有機物進行混合，得到LiFeBO₃/C前驅體；

（4）將步驟（3）中得到的LiFeBO₃/C前驅體成型為塊狀，得到LiFeBO₃/C塊狀電極前驅體；

（5）將步驟（4）中得到的LiFeBO₃/C塊狀電極前驅體在惰性氣氛保護下進行煅燒，得到鋰離子電池正極。

本發明還提供了一種鋰離子電池正極，所述正極為根據本發明提供的制備方法制備得到的。

本發明具有以下有益效果：

1、本發明將LiFeBO₃/C塊狀電極前驅體煅燒，直接制備成塊狀電極裝配成電池，不需要加粘合劑和鋁箔涂覆，增加了正極材料的含量，優選時高達95%，提高了電極材料的能量和功率密度，一站式得到硼酸鐵鋰塊狀電極。