[发明专利]新颖方法和产物

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造用于锂离子电池阴极的锂插入材料的方法，该材料包括铁、锂、硅和碳。

技术背景

由于Nyten等人首次展示了正硅酸铁锂（Li₂FeSiO₄）很有前景的电化学特性以及相对基于钴的阴极的低合成成本(Nyten2005,2006)，正硅酸铁锂正越来越成为受关注的用于锂离子电池阴极的材料。聚阴离子材料的一个制约因素是其较差的导电性能。合成条件对Li₂FeSiO₄的电化学性能也有很大的影响，进行了许多研究以找出用于最优化电化学性能的关键因素。最近对于Li₂FeSiO₄的研究趋势都集中以通过诸如固态法、溶胶-凝胶法、水热法和水热辅助溶胶-凝胶法等等的不同的合成技术发展具有纳米级颗粒的活性材料以改善其电化学性能。

发明内容

本发明涉及一种新的、廉价、快速燃烧方法，其基于使用各种碳源作为用于燃烧的燃料，以用于足够制备均匀的纳米尺寸材料。该方法基于可溶前体盐（氧化剂）和可溶牺牲含碳化合物（燃料）之间的氧化还原反应。通常，燃烧反应可以通过一些基本参数进行控制，该基本参数例如为：燃料和氧化剂的类型、燃料对氧化剂比率值、燃烧的起始温度以及生成的气态产物的相对量等等。该方法依赖于使用金属硝酸盐作为氧化剂和含碳化合物作为燃料，以合成一种廉价的纳米尺寸硅酸盐阴极材料。

根据本发明，通过一种新型的燃烧方法合成了纳米尺寸的Li₂FeSiO₄/C粉末，其中采用了非常廉价的含碳材料（如乳糖、麦芽糖、麦芽糖糊精（maltodextrine）、蔗糖或柠檬酸）作为燃料。当含碳化合物的量从半化学计量增加至三倍化学计量时，产物的纯度和形貌都将受到影响。XRD分析表明，Li₂SiO₃和Fe_1-xO杂质的量随燃料（如蔗糖）量的增加而增加。合并的SEM和TEM照片和BET分析表明，对于增加表面积而同时颗粒尺寸减小而言，蔗糖的添加是有利的。采用相对于化学计量的50％的过量蔗糖的样品显示出最优电化学性能，由于稳定的结晶度和相纯度，其能够得到具有稳定循环性能的具有吸引力的在C/20的速率下的130mAh/g的容量，即使在2C下同样如此。

根据本发明，采用一种简单的基于含碳燃料的燃烧方法合成纯Li₂FeSiO₄/C。这改进了硅酸盐阴极材料的循环性能。该方法提供了良好的样品均匀性并允许合成具有小颗粒尺寸的样品。

附图说明

图1：用不同量的蔗糖（0.5Sc，1Sc，1.5Sc，2Sc，2.5Sc和3Sc）合成的Li₂FeSiO₄/C材料的X射线衍射图案。

图2：用0.5Sc蔗糖获得的Li₂FeSiO₄/C材料的X射线衍射图案的Rietveld细化（refinement）。在15-40°范围内详细的衍射数据显示为插图的形式。

图3：用各种量的蔗糖获得的Li₂FeSiO₄/C材料的SEM图像：（a）0.5Sc，（b）1.5Sc，（c）2Sc以及（d）3Sc。

图4：用各种量的蔗糖获得的Li₂FeSiO₄/C材料的TEM图像：（a）0.5Sc，（b）1Sc，（c）1.5Sc，（d）2Sc，（e）2.5Sc以及（f）3Sc。碳和石墨烯分别用黑色和白色箭头表示。

图5：以不同量蔗糖合成的各种Li₂FeSiO₄/C阴极的第一放电容量。

图6：在C/20速率下Li₂FeSiO₄/C的第一50个恒电流充电/放电循环的电池电压关于锂量的变化，Li₂FeSiO₄/C采用了50％过量的蔗糖进行合成。

图7：Li//Li₂FeSiO₄（1.5Sc）电池元在1.8-4V范围内在C/2速率下100次循环期间的充电和放电容量的演化。