[發明專利]一種錯位硅酸鐵鋰及其制備方法

在審

• 申請號: 201610097411.6
• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN105762357A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 倪江鋒;王文聰;李亮
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 李陽

技術領域

本發明涉及涉及鋰離子電池領域，尤其涉及用于鋰離子電池的高性能硅酸鐵鋰正極材料。

背景技術

隨著人們對高能量鋰離子電池需求的日益增加，尋找高能量密度的電池正極材料成為世界各國研究者的工作重點。近年來聚陰離子結構的硅酸鹽材料如Li₂FeSiO₄、Li₂MnSiO₄由于其較高的能量密度而備受關注。這些硅酸鹽材料其理論上可以脫嵌兩個鋰離子，比容量高達330mAhg^-1，是目前商業化正極材料的2倍。由于Li₂MnSiO₄在循環過程中結構逐漸無定形化而喪失大部分電化學特征，因此，Li₂FeSiO₄是硅酸鹽正極中最有應用前景的材料。

盡管Li₂FeSiO₄具有雙電子反應的理論容量，然而大多數情況下研究者都只獲得單電子反應的容量，這主要是由于Li₂FeSiO₄材料充放電的動力學極化嚴重，同時Fe³⁺/Fe⁴⁺電對的電位偏高，超出目前常規有機電解液的穩定電化學窗口。為了提高Li₂FeSiO₄材料的實際容量，研究者們設計了多種改進方案。中國專利(申請號：201510061167.3，一種高倍率硅酸鐵鋰正極材料的制備方法)公布了制備納米多孔硅酸鐵鋰的辦法；中國專利(201410136971.9，類石墨烯摻雜鋰離子電池硅酸鐵鋰復合正極材料制備方法)公布了石墨烯包覆硅酸鐵鋰的辦法；中國專利(201210207841.0，一種釩摻雜硅酸鐵鋰正極材料及其制備方法)公布了釩摻雜硅酸鐵鋰的制備辦法。以上方案都可以有效地改善電子和離子的動力學傳輸性能，從而提高正極材料的實際充放電容量。不過，由于鋰電池陰極材料是一種電子和離子的混合導體，材料的電子得失總是伴隨著鋰離子的嵌脫。在常規Li₂FeSiO₄中，可脫嵌的鋰離子有2個，而由于電壓的限制，參與反應的電子數卻只有1個。也就是說，Li₂FeSiO₄可反應的鋰離子和電子數目在充放電過程中是不匹配的。可見以上方案對限制容量的電壓問題卻幾乎無能為力。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種具有匹配的反應電子數和離子數、提高材料的實際可逆容量的錯位硅酸鐵鋰及其制備方法。

本發明的錯位硅酸鐵鋰，含有Li/Fe錯位結構，并具有一般聚陰離子硅酸鹽晶格結構以及Li_2-2xFe_1+xSiO₄限定式，其中x的范圍為0<x≤0.5。

進一步的，所述一般聚陰離子硅酸鹽晶格結構在引入所述Li/Fe錯位結構后保持不變。

進一步的，含有所述Li/Fe錯位結構的一般聚陰離子硅酸鹽晶格結構為電荷中性。

進一步的，所述硅酸鐵鋰通過將含有鋰源、鐵源和硅源的化合物按比例混合均勻，然后在惰性氣氛下進行鍛燒得到。

借由上述方案，與現有硅酸鐵鋰材料相比，本發明至少具有以下優點：

(1)通過在本發明的硅酸鐵鋰材料晶格中引入Li/Fe陽離子的錯位，來更好地匹配可反應的離子和電子數，從而將部分高電壓區間的儲鋰容量轉移到低電壓區間來，提高材料的實際可逆容量；

(2)當Li/Fe陽離子的錯位量為0.333，鋰離子與電子轉移反應的數目達到完全均衡，此時單電子反應的容量為203mAhg^–1，比Li₂FeSiO₄的單電子容量高出23％；

(3)錯位結構的材料比正常結構材料具有更低的離子遷移活化能，同時，錯位可以避免電極材料在充放電過程中的結構重排，提高材料的充放電循環性能。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。

附圖說明

圖1是單電子反應理論容量與Li/Fe錯位量的關系；