[发明专利]锂离子电池正极材料硅酸钒锂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料技术领域。特别涉及一种锂离子电池正极材料硅酸钒锂的制备方法。

背景技术

锂离子电池是新一代的绿色高能电池，具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽等众多优点，广泛应用于移动电话、笔记本电脑、UPS、摄录机、各种便携式电动工具、电子仪表、武器装备等，在电动汽车中也具有良好的应用前景，被认为是在二十一世纪对国民经济和人民生活具有重要意义的高新技术产品。

正极材料是锂离子电池的重要组成部分。目前，绝大部分研究工作集中在第四周期Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni六种可变价过渡金属元素的嵌锂化合物上。第一代正极材料为金属硫化物，如TiS₂、MoS₂等。第二代正极材料为锂-过渡金属复合氧化物，以LiCoO₂为代表，包括LiNiO₂、LiMnO₂、LiMn₂O₄、LiV₃O₈、LiNi_xCo_1-xO₂、LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂及各种衍生物。LiCoO₂是已大规模商品化的正极材料，研究比较成熟，综合性能优良，但价格昂贵，容量较低，毒性较大，存在一定的安全性问题，预计将被高性能低成本的新型材料所取代。LiNiO₂成本较低，容量较高，但制备困难，材料性能的一致性和重现性差，存在较为严重的安全问题。尖晶石LiMn₂O₄成本低，安全性好，但循环性能尤其是高温循环性能差，在电解液中有一定的溶解性，储存性能差。研究开发新型正极材料成为当前的热点。第三代正极材料是以磷酸铁锂(LiFePO₄)为代表的聚阴离子型化合物材料。聚阴离子型化合物是一系列含有四面体或者八面体阴离子结构单元(XO_m)^n-(X＝P、Si、B、S、As、Mo、W等)的化合物的总称。与锂-过渡金属复合氧化物材料相比，聚阴离子型化合物正极材料普遍具有晶体结构稳定，热稳定性好，安全性能优异等突出优点。人们对其中的磷酸盐系列材料已经进行了较为深入的研究，发现其中的磷酸铁锂(LiFePO₄)和磷酸钒锂(Li₃V₂(PO₄)₃)具有较优异的综合性能。特别是LiFePO₄，已被很多电池企业接受，广泛应用于动力型和储能型锂离子电池。

近来，硅酸盐系列材料逐渐引起人们的重视。由于硅在地壳中的丰度远大于磷，因此预计硅酸盐材料的成本将比磷酸盐更低。另外，硅酸盐普遍存在于地壳中，结构十分稳定，预计硅酸盐材料将比磷酸盐材料具有更优异的稳定性。人们对硅酸锰锂(Li₂MnSiO₄)、硅酸铁锂(Li₂FeSiO₄)、硅酸钴锂(Li₂CoSiO₄)、硅酸镍锂(Li₂NiSiO₄)已进行了初步的研究。

V是价态丰富的过渡金属元素，化学性质活泼多样。与其他过渡金属相比，钒的聚阴离子型化合物电池材料具有很大的研究空间。目前文献报道的钒的聚阴离子型化合物电池材料主要是磷酸盐，如Li₃V₂(PO₄)₃、LiVPO₄F、VOPO₄、LiVOPO₄等，可以作为锂离子电池正极材料。迄今为止，硅酸钒锂正极材料尚未见文献报道。