[發明專利]鋰離子電池負極材料正硅酸鋰的高溫固相制備方法

有效

• 申請號: 201410127056.3
• 申請日: 2014-03-31
• 公開（公告）號: CN103943827A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 趙彥明;耿小鳳;董有忠
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/1397
• 分類號: H01M4/1397;H01M4/58
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池負極材料，特別是涉及一種鋰離子電池負極材料正硅酸鋰[Li₄SiO₄]的高溫固相制備方法。?

背景技術

鋰離子電池是新一代綠色高能充電電池；其工作電壓較高、體積小、質量輕、質量與體積比能量高、輸出功率較大、循環壽命長、快速充放電、自放電率低、無記憶效應等優點，已被廣泛應用于各種便攜設備、數碼產品和混合動力汽車，滲透到社會的各個角落。?

隨著SONY公司在1991推出商品化的鋰離子電池，對鋰離子電池相關材料的研究進行地如火如荼。由于對各種產品功能需求的多樣化，因此對電池的要求也日益提升。尤其是節能、低排放的電動汽車(EV)或混合動力汽車(HEV)引起極大關注并成為汽車研究與開發的一個重點，對鋰離子電池的輸出功率、能量密度、安全性和電壓等提出了更高的要求，推動了鋰離子電池材料的研究。?

1982年伊利諾伊理工大學(the?Illinois?Institute?of?Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發現了鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。SONY率先在市場上推出的鋰離子電池以LiCoO₂為正極材料、焦炭作為負極材料，它們具有可靠的性能和長的循環壽命，目前仍然廣泛應用于手機、筆記本電腦、攝像機、平板電腦等各種便攜的電子產品中。一直以來，層狀石墨一直占據著商業化鋰離子電池負極材料的主導地位。然而，以石墨作為負極有著巨大的安全隱患，尤其是在高功率電池，這制約了其在電動汽車(EV)或混合動力汽車(HEV)方面的進一步應用和發展。因此，尋找替代石墨的負極材料非常關鍵。?

近年來對鋰離子電池負極材料的研究非常廣泛，通常分為以下幾類：鋰過渡金屬氮化物、過渡金屬氧化物、錫基負極材料、納米材料等。其中，尖晶石結構的鈦酸鋰[Li₄Ti₅O₁₂]在鋰離子脫出和嵌入的過程中晶型不發生變化，具有優良的循環壽命和循環性能，被認為是除了石墨以外性能最優異的化合物。但是其嵌鋰電位(～1.55V)比較高且容量(理論比容量為175mAh/g)較低。?

發明內容

本發明的目的是利用高溫固相法制備一種高性能正硅酸鋰負極材料。與此同時，針對正硅酸鋰電子電導率低的缺點，采用惰性氣氛或還原氣氛下高溫固相法，對產物進行碳包覆，大大提高了其電導率和電化學性能。本發明找到了一種工藝簡單、原料來源豐富、適合于工業化生產的方法，通過該方法合成的正硅酸鋰[Li₄SiO₄]具有優良的充放電容量、循環性能及倍率性能。?

本發明通過簡單的工藝、廉價的原料合成正硅酸鋰[Li₄SiO₄]，該材料目前沒有文獻報告其作為鋰離子電池負極材料。本發明內容表明，通過該方法合成的材料，特別是在惰性氣氛下的高溫固相法合成的碳包覆正硅酸鋰[Li₄SiO₄]材料，作為鋰離子電池負極材料性能優異，嵌鋰電位低(0.1～1V)，循環性能優良，有希望成為下一代鋰離子電池負極材料。?

本發明的目的是通過如下的技術方案實現的：?

鋰離子電池負極材料正硅酸鋰的高溫固相制備方法，包括如下步驟：?

(1)混合前軀體：將硅源與鋰源按照鋰和硅的物質的量摩爾比為4:1的比例混合均勻，球磨6h‐24h，得前驅體；所述硅源為二氧化硅或偏硅酸；所述鋰源為鋰鹽或鋰的堿性化合物；?

(2)預處理：將步驟(1)混合均勻的前驅體在空氣氛圍、惰性氣體氛圍或者還原氣體氛圍下200‐400℃加熱處理2‐12h，自然冷卻后，研磨得到粉末狀材料；?

(3)燒結反應：將步驟(2)得到的粉末狀材料再次球磨6‐24h，放入管式爐中，在空氣氛圍、惰性氣體氛圍或者還原氣體氛圍下450‐1000℃燒結處理4‐24h，自然冷卻后得到正硅酸鋰負極材料。?

優選地，步驟(1)中在前驅體混合時還包括加入碳材料,所述的碳材料為碳水化合物、乙炔黑或石墨；所述的碳材料的加入量為正硅酸鋰負極材料總質量的1～20％；得到碳包覆的鋰離子電池的正硅酸鋰負極材料。?

或者是，步驟(3)中在預處理后粉末中加入碳材料，混合均勻后燒結,所述的碳材料為碳水化合物、乙炔黑或石墨；所述的碳材料的加入量為正硅酸鋰負極材料總質量的1～20wt％；得到碳包覆的鋰離子電池的正硅酸鋰負極材料。?