[發明專利]金屬硼氧酸鹽修飾鋰離子電池電極復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201911184044.3
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN112864357B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 黃富強;董武杰;趙延濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/62;H01M4/52;H01M4/525;H01M10/0525
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明公開金屬硼氧酸鹽修飾鋰離子電池電極復合材料及其制備方法。所述金屬硼氧酸鹽修飾的鋰離子電池電極復合材料，包括金屬硼氧酸鹽和鋰離子電池電極材料，所述鋰離子電池電極材料為鋰離子電池正極材料或鋰離子電池負極材料；所述電極復合材料中金屬硼氧酸鹽的質量比例為0.1%?30%；所述金屬硼氧酸鹽通式為A_xB_yOz，其中A為金屬元素Li、Na、K、Mg、Ca、Al、Sr、La、Ti、Zr、Nb、Fe中的一種或多種，0x10，0y10，0z10。

技術領域

本發明涉及一種金屬硼氧酸鹽修飾鋰離子電池電極復合材料及其制備方法和應用，具體地涉及將金屬硼氧酸鹽與一些鋰離子電池正負極材料進行復合使得復合材料作為鋰離子電池正負極材料的某些方面性能明顯有所提升，屬于材料領域。

背景技術

相比于其他儲能器件，如超級電容器，鉛酸電池，Ni-Cd電池，鎳氫電池等，鋰離子電池作為目前應用最為廣泛儲能技術在能量密度和功率密度等方面具有明顯的優勢。并且鋰離子電池的工作電壓較高(3.6V)，質量較輕，循環穩定性較好，能量效率高，工作溫度范圍寬(-30℃至+45℃)以及自放電小，無記憶效應等優點也在實際應用中廣受好評。自從1991年索尼公司首次實現鋰離子電池的商品化以來，鋰離子電池迅速替代大部分其他儲能器件融入人們生產生活的方方面面，在各種移動電子設備手機，筆記本電腦和電動汽車中作為電源，也可以作為大規模儲能器件實現電網調峰，成為無可替代的必需品。鋰離子電池是依靠鋰離子在正極和負極之間的移動來儲能。在典型鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子在正負極之間不斷進行嵌入和脫嵌以完成電能和化學能之間的轉化。而想要提升鋰電池的性能，除了在電池工藝和電池管理系統上進行優化和改進，最本質的途徑是通過提高正負極電極材料本身的性能來實現鋰電池性能的突破。構成鋰離子電池的關鍵核心材料是它的正極材料和負極材料，鋰離子在正負極材料之間的移動構成了鋰離子電池儲存和釋放電能的基本工作原理。日益嚴峻的能源危機對儲能器件提出了更高的要求，高性能鋰離子電池負極材料是儲能材料研究領域的研究熱點，然而壽命短、容量低、倍率差、振實密度低等是其應用瓶頸，因此亟待開發適合大規模生產應用的新型高性能長壽命鋰電正負極材料。目前商用的正極材料主要有層狀結構的LiCoO₂、LiMnO₂、Li₂MnO₃、三元材料Li(NixCoyMn1-x-y)O₂和橄欖石結構的LiFePO₄等。LiCoO₂理論容量高，但是由于其高電壓下結構崩潰循環性能較差；三元正極材料，尤其是高鎳材料容量高，但是其容易發生熱失控，安全性差；磷酸鐵鋰穩定性高但是容量和電壓平臺較低，影響鋰離子電池能量密度的提高。商用的負極材料如傳統石墨負極理論容量低，而高容量的金屬鋰存在嚴重的安全隱患，合金型單質硅負極理論容量極高，但是由于插脫鋰過程中巨大的體積變化導致容量快速衰減，規模化生產得到Si/C復合材料在容量、振實密度、倍率和循環壽命等問題上仍存在一些問題，嵌入型鋰電負極雖然具有高功率和長壽命等優點，但其能量密度較低，在實際應用中受到限制，轉化型(如氧化鐵)和轉化-合金復合型(如二氧化錫)金屬氧化物負極材料，具有理論比容量高、儲量豐富、價格低廉等優勢而受到人們的廣泛關注和研究，但其普遍存在的循環性能和倍率性能差等問題一直沒有得到解決。因此，通過深入研究鋰離子電池正負極材料的性能影響的內在機理，可以為材料的理性設計提供指導，由此開發出高性能長壽命的鋰離子電池正負極材料具有重要意義。在此基礎上，開發簡單溫和低成本并且適合大規模生產的合成方法對于實際應用具有重要價值。而通過類似的研究思路與策略，突破舊有的慣性思維開發新型高性能鋰離子電池正負極復合材料對于未來鋰電負極材料的進一步發展具有重要的借鑒和指導意義。