[发明专利]一种用于锂离子电池的硅酸钴锂正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备工艺，尤其是涉及一种用于锂离子电池的硅酸钴锂正极材料的制备方法。

背景技术

近年来，锂离子电池作为一种高效的储能器件被广泛应用于社会的各个领域，如通讯工具、电动设备和混合动力汽车等。然而，过去10多年来锂离子电池一直由钴酸锂(LiCoO₂)正极材料制备而成，这类钴酸锂正极材料的实际可使用容量只有135mAh/g，从而导致锂离子电池的容量发展跟不上科学技术发展的进程，因此，需要寻找新型的正极材料来提高电池的储能特性。

目前，市场上已有多种用于锂离子电池的正极材料，如磷酸铁锂(LiFePO₄)正极材料、硅酸盐正极材料等。

磷酸铁锂(LiFePO₄)正极材料是近些年研究开发的热点，但是LiFePO₄正极材料的理论质量比容量比较低，只有170mAh/g，这使其不能很好满足社会对高容量锂离子电池的需求。

硅酸盐正极材料中的硅酸钴锂(Li₂CoSiO₄)正极材料是一类新型的聚阴离子正极材料，其在结构中具有强的Si-O键结合力，可保证正极材料的结构稳定性，并且还含有两个锂离子，使得其可能具有更高的容量，如果两个锂离子均可以发生嵌入脱出反应，则其理论质量比容量可达333mAh/g，这几乎是磷酸铁锂(LiFePO₄)正极材料的实际容量的2倍和钴酸锂(LiCoO₂)正极材料的实际容量的2.5倍；同时，正是由于硅酸钴锂(Li₂CoSiO₄)正极材料稳定的结构优势使得其具有优异的化学、电化学稳定性及热稳定性；此外，硅酸钴锂(Li₂CoSiO₄)正极材料的平均工作电位为4.2V，这比平均工作电位为3.5V的磷酸铁锂(LiFePO₄)正极材料和平均工作电位为3.8V的钴酸锂(LiCoO₂)正极材料要高，使得硅酸钴锂(Li₂CoSiO₄)正极材料在实际操作中具有很高的能量密度，因此，硅酸钴锂(Li₂CoSiO₄)正极材料是一类非常有开发前景的锂离子电池正极材料。但是目前各种硅酸盐正极材料主要是通过高温固相反应法合成的，如Li₂FeSiO₄的制备过程为：其以SiO₂、Li₂CO₃、FeC₂O₄·2H₂O为原料，按化学计量比混合，加入适量丙酮，球磨12小时后将原料在真空干燥箱中以60℃干燥24小时，将干燥好的固体研磨，在氩气气氛的管式炉中以800℃的高温烧结10小时，冷却后研磨得到Li₂FeSiO₄。这种高温固相反应法合成工艺是在惰性气体保护下，以700℃～900℃的高温进行烧结实现硅酸盐正极材料的制备，由于这种合成工艺需借助惰性气体的保护，而维持高纯惰性气体的环境比较困难，这样将导致制备得到的硅酸盐正极材料的纯度较低；另一方面，如果惰性气体中混有空气，则制备得到的硅酸盐正极材料的性能很差，甚至可能得不到所需的硅酸盐正极材料，导致硅酸盐正极材料的重现性较差；此外，由于这种合成工艺是在700℃～900℃的高温下进行烧结合成硅酸盐正极材料的，因此，制备得到的硅酸盐正极材料的颗粒较大，且不均匀，一般颗粒的粒径在1μm～10μm左右，从而导致制备得到的硅酸盐正极材料的电化学性能较差；综上，这种合成工艺不适合大规模工业化生产。