[發明專利]一種碳包覆硅酸亞鐵鋰復合正極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201410119394.2
• 申請日: 2014-03-27
• 公開（公告）號: CN103887510A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 劉興泉;張崢;吳玥;趙紅遠;劉一町
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/58
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 李明光

技術領域

本發明屬于新能源材料制備技術領域，涉及鋰離子電池正極材料的制備方法，具體為一種碳包覆硅酸亞鐵鋰復合正極材料的制備方法。

背景技術

鋰離子電池具有電壓高，比能量大，循環壽命長等優點，在便攜式電子設備領域得到了廣泛的應用，并逐步擴展到電動汽車動力電池、儲能電池等領域。目前商品化的鋰離子電池正極材料如層狀鈷酸鋰、尖晶石型錳酸鋰，但兩者都存在或價格昂貴、或安全性差、或高溫循環性能差等缺陷，難以滿足動力電池的要求。與此相比，硅酸亞鐵鋰作為一種新型鋰離子電池正極材料主要有以下幾個優點：(1)比容量高，理論比容量為332mAh/g；(2)結構穩定，晶格中的Si-O鍵鍵能高，在滿充電態和高溫下都可以保持結構穩定，不會釋放氧氣引發安全事故；(3)原料來源廣泛，鐵、硅元素都是地殼中最豐富的元素，不存在原料短缺的問題；(4)綠色無污染，硅酸亞鐵鋰不含有任何有毒有害物質，不會對環境造成污染。

目前限制硅酸亞鐵鋰在鋰離子電池領域廣泛應用的瓶頸主要是該材料的電子電導率低以及鋰離子遷移率低，現有解決方案主要有：1）通過離子摻雜增加材料的電子或空穴，提高材料本征離子遷移率；2）減小顆粒尺寸，縮短鋰離子擴散距離；3）包覆碳、銀等高電導率物質制備復合材料，提高材料電子導電性。其中，摻雜Mn²⁺、Al³⁺等離子雖然可以提高材料的導電性，但會犧牲材料的比容量或循環性能；而采用水熱法、溶膠凝膠法等方法可以制備納米級的硅酸亞鐵鋰材料，但制備工藝較復雜，生產周期長、成本高，難于工業化生產。碳包覆是通過在活性物質顆粒表面包覆一層幾個納米的高電導率的碳層，在不阻礙鋰離子脫嵌的情況下提高材料的電子電導率；同時減少活性物質的團聚，細化晶粒以提高材料的比表面積；并且物理隔絕外界的水蒸汽和氧氣。因此，碳包覆作為提高硅酸亞鐵鋰電學性能的有效方法成為了我們研究的重點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種碳包覆硅酸亞鐵鋰（Li₂FeSiO₄/C）復合正極材料的制備方法，克服了現有制備方法工藝復雜、生產周期長、成本高的缺陷。本發明首先采用液相法制備得到硅酸鋰前驅體，再與廉價的三價鐵源及碳源混合后一次燒結得到Li₂FeSiO₄/C復合正極材料。該方法工藝流程簡單，制備周期短，成本低，節能環保，適合工業化生產；且制備得到Li₂FeSiO₄/C復合正極材料一致性高，顆粒分布范圍窄，顆粒間團聚現象少，具有良好的電化學性能。

本發明的技術方案為：一種碳包覆硅酸亞鐵鋰（Li₂FeSiO₄/C）復合正極材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1.按摩爾比Li∶Si=2∶1稱取鋰源和硅源，分別溶于相應溶劑后混合，控制pH值為9～14、反應5-24小時制備得硅酸鋰前驅體；

步驟2.將步驟1所得硅酸鋰前驅體與三價鐵源按摩爾比Li₂SiO₃∶Fe=1∶1混合，再按硅酸鋰前驅體質量的5%～20%的質量加入碳源，最后加入分散劑球磨5～15小時，取出漿料、烘干得前驅體粉末；

步驟3.將步驟2所得前驅體粉末于氣氛保護下燒結，以2～10℃/min的升溫速率升溫至550～800℃，并保溫5～15h，隨爐冷卻至室溫，得到Li₂FeSiO₄/C復合正極材料。

優選的，所述三價鐵源為三氧化二鐵、硝酸鐵或檸檬酸鐵。所述硅源為Si(C₂H₅O)₄或活性SiO₂或SiO₂。所述鋰源為Li₂CO₃、LiOH、Li₂C₂O₄、CH₃COOLi中的一種或一種以上的混合物。

所述碳源為蔗糖、葡萄糖、淀粉、聚乙二醇、羥甲基纖維素、乙炔黑中的一種或一種以上的混合物。

所述步驟2中的分散劑為去離子水、乙醇、丙酮中的一種或兩種的混合物。

所述步驟3中氣氛保護的保護性氣體為N₂、Ar、CO₂、CO、H₂的一種或兩種混合。