[發(fā)明專利]一種制備微孔球結構的硅酸亞鐵鋰/碳復合正極材料的方法

有效

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• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104362318A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發(fā)明（設計）人: 黃小兵;張園夢;任杰;王云;周詩彪;陳遠道;劉北平
• 申請（專利權）人: 湖南文理學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36
• 代理公司: 常德市長城專利事務所 43204
• 代理人: 張啟炎

技術領域

本發(fā)明涉及鋰離子電池制造技術領域，特別是一種制備微孔球結構的硅酸亞鐵鋰/碳復合正極材料的方法。

背景技術

基于資源、環(huán)保和安全性能等方面考慮，開發(fā)成本低廉、安全性高和環(huán)境友好的新型鋰離子電池正極材料一直是人們研究的重點。自從Goodenough小組首次報道LiFePO₄以來，鐵系聚陰離子型化合物作為有潛力的鋰離子電池正極材料受到了極大的關注。Li₂FeSiO₄因具有礦藏豐富、結構穩(wěn)定性好和環(huán)境相容性好等特點也頗具吸引力。且在特定的條件下，可以獲得較高的實際比容量（340?mAh?g-1），因此該材料被認為是極具潛力的鋰離子電池正極材料之一。然而Li₂FeSiO₄的電子電導率低（10^-14??S?cm^-1）和離子擴散系數(shù)小（10^-14?cm^2?S^-1），導致其高倍率性能差，極大制約了該材料進一步的推廣與應用，尤其在動力電池這一全球矚目的領域，材料在高倍率下的工作特性是決定其能否實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用的關鍵因素之一。可見，提高Li₂FeSiO₄的高倍率性能是鋰離子電池領域亟待解決的重要科學問題。

目前，常用的解決該問題的方法主要有三種。其一，縮小材料顆粒尺寸，增大比表面積。研究發(fā)現(xiàn)納米尺寸的Li₂FeSiO₄由于縮短了Li⁺遷移路徑和增大了與電解液的接觸面積，往往具有較高的電化學性能，尤其是高倍率性能。其二，通過引入電導率較高的碳層均勻包覆在Li₂FeSiO₄表面，充當導電介質，可以提高其導電性。其三，通過向Li₂FeSiO₄中摻入其他離子，如Mg²⁺、Cr3+、Zn²⁺、V⁵⁺、P⁴⁺，可引入電子或空穴，從而提高材料的本征電子導電性。盡管目前關于Li₂FeSiO₄倍率性能的研究取得了一定進展，但在大電流充放電下其實際比容量與理論比容量仍有很大的差距。由此可見，倍率性能差仍然是制約Li₂FeSiO₄正極材料應用的關鍵問題之一。

近年來，多孔材料在鋰離子電池中的應用已經(jīng)成為研究熱點之一。其有序的孔及其相互交聯(lián)的結構提供了更多的鋰離子活性位置，確保離子有較好的擴散性能；孔隙的存在使得電解液與活性物質有充分的接觸，為電化學反應提供更多的活性部位；同時，高比表面減小鋰離子脫嵌深度和行程，增大了反應界面。此外，孔隙還可以減輕循環(huán)過程中因體積膨脹所引起材料本身結構的破壞，延長了電池的循環(huán)壽命。可見，多孔結構的上述優(yōu)點對于改善Li₂FeSiO₄電子電導率低，擴散性能差的缺點會有明顯的作用。

發(fā)明內(nèi)容

為了改善Li₂FeSiO₄電子電導率低，擴散性能差等問題，本發(fā)明提出了一種制備微孔球結構的硅酸亞鐵鋰/碳復合正極材料的方法，以提高其高倍率條件下的比容量。

本發(fā)明的技術方案：

1）凝膠的制備：稱量檸檬酸和氫氧化鋰加入水中，攪拌溶解；加入草酸亞鐵，調(diào)節(jié)溶液pH為7～8，80～95℃下油浴保溫24～72h后，形成墨綠色溶液；加入納米二氧化硅，超聲20～60min，室溫下攪拌1～3h，制得凝膠。其中所述氫氧化鋰、草酸亞鐵和納米二氧化硅按摩爾比以Li:Fe:Si=2:1:1計量；所述檸檬酸與草酸亞鐵的摩爾配比為：0.9～1.7。

2）干燥：將步驟1）所述凝膠于100～120℃下噴霧干燥得到硅酸亞鐵鋰/碳復合前驅體。

3）高溫裂解：將步驟2）所述硅酸亞鐵鋰/碳復合前驅體在氬氣氣氛中熱處理至反應完成，得目標產(chǎn)物微孔球結構的硅酸亞鐵鋰/碳復合正極材料；其中，所述熱處理是在600～800℃下焙燒8～12h。

本發(fā)明的有益效果是：