[发明专利]一种锂离子电池正极材料硼酸铁锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池正极材料及其制备方法，具体地，涉及一种锂离子电池正极材料硼酸铁锂及其制备方法。

背景技术

能源和环境是当前人类社会发展不可回避的两个重要问题。因此，新型可再生清洁能源的研发是今后世界经济中最具决定性影响的技术领域之一。作为能源储存与转化的一种重要方式——化学电源，在人们日常生活和工业生产中得到了极为广泛的应用。锂离子电池作为新一代的绿色高能电池，具有工作电压高、比能量高、比功率高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优点而被广泛应用在便携式电子设备、电动工具、储能装置、电动车以及混合电动车上。近年来，锂离子电池的产量飞速增长，应用领域不断扩大，已成为二十一世纪国民经济和人民生活不可或缺的高新技术产品。

在含铁类锂离子电池聚阴离子正极材料中，磷酸铁锂已经得到了较好的商业化生产，并逐渐成为主流正极材料。但是，磷酸铁锂本身理论比容量较低，仅有170mAh/g，且导电性较差，高倍率充放电性能不佳，振实密度低。这些缺点中有些可以通过进一步的研究加以提高和改善，但是另外一些则是本征的，如理论比容量的大小等，不可能通过研究得到改善或提高。这就要求人们进一步探索和开发具有更高比容量的正极材料以满足技术发展的需求。而硼酸铁锂(LiFeBO₃)就是一种具有较高比容量的新型聚阴离子正极材料，就结构而言，以摩尔质量更小的(BO₃)^3-代替(PO₄)^3-，可达到更高的理论比容量（220mAh/g）。同时，硼酸铁锂这种结构使其具有更好的导电性（电导率为3.9×10^-7S/cm），充放电前后具有极小的体积变化率（约2%），良好的可逆性以及优异的化学及电化学稳定性。因此，硼酸铁锂(LiFeBO₃)是一种极具应用前景的锂离子电池正极材料。

铁和硼是我国优势矿产，其中已经探明的铁资源储量位居世界第五位，约占全球总储量9.0%，并且地壳中铁含量非常高，其丰度为4.75%，在所有元素中位居第四位；另外我国是一个硼矿资源大国，已探明储量占世界硼矿储量的16%，居世界第四位。因此，开发含铁硼类锂离子电池正极材料不仅具有重要的战略意义，还具有极大的经济和社会效益。

目前，制备硼酸铁锂(LiFeBO₃)的主要方法是在惰性气氛保护下的高温固相反应方法。例如，CN 101955190A公开了一种锂离子电池正极材料硼酸铁锂的制备方法，该方法将锂源、铁源、硼源和碳源直接混合，加入较少量的溶剂后混合均匀，再烘干压制成干饼，将干饼在惰性气体保护下煅烧得到最终产物。此类制备工艺过程复杂、能耗大、成本高，且得到的材料纯度不高，颗粒尺寸较大，团聚现象严重，电化学性能有待改进。

CN 102079530A公开了一种溶胶凝胶技术制备锂离子电池正极材料硼酸铁锂的方法，该方法将锂源、铁源、硼源和螯合剂共同溶于水中，升温使之形成凝胶，将凝胶烘干压制成片后煅烧得到最终产物。通过由该方法制备的硼酸铁锂制备的电池的放电比容量较低，且充放电循环特性以及稳定性较差。

此外，在现有技术的方法中，合成硼酸铁锂时大多采用二价铁源，其稳定性较差，而且遇空气和氧化介质很易被氧化为三价铁盐，从而增加原材料的储存成本。同时，二价铁源较三价铁源而言，需要更高的原材料消耗成本。高温固相反应方法高温处理时间较长，能耗大，材料制备周期长，生产成本高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种比容量大、循环稳定性好的高性能锂离子电池正极材料硼酸铁锂及其制备方法。

本发明的发明人发现，现有技术的方法均是将原料同时混合进行反应，忽视了对于原料之间反应顺序的控制，从而导致制备的硼酸铁锂结晶性较差且产物中可能有杂质存在，另外，还会使得制备的硼酸铁锂颗粒不均匀，从而导致材料电池性能的一致性较差等问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种锂离子电池正极材料硼酸铁锂的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）将硼源水溶液或悬浮液、锂源水溶液或悬浮液和三价铁源水溶液或悬浮液依次加入碳源水溶液中，得到混合溶液；

（2）将步骤（1）中得到的混合溶液干燥，得到硼酸铁锂前驱体；

（3）将步骤（2）中得到的硼酸铁锂前驱体在惰性气氛保护下进行煅烧。

本发明还提供了一种锂离子电池正极材料硼酸铁锂，该硼酸铁锂为根据本发明提供的制备方法制备得到。