[发明专利]锂离子电池负极材料正硅酸锂的高温固相制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，特别是涉及一种锂离子电池负极材料正硅酸锂[Li₄SiO₄]的高温固相制备方法。 

背景技术

锂离子电池是新一代绿色高能充电电池；其工作电压较高、体积小、质量轻、质量与体积比能量高、输出功率较大、循环寿命长、快速充放电、自放电率低、无记忆效应等优点，已被广泛应用于各种便携设备、数码产品和混合动力汽车，渗透到社会的各个角落。 

随着SONY公司在1991推出商品化的锂离子电池，对锂离子电池相关材料的研究进行地如火如荼。由于对各种产品功能需求的多样化，因此对电池的要求也日益提升。尤其是节能、低排放的电动汽车(EV)或混合动力汽车(HEV)引起极大关注并成为汽车研究与开发的一个重点，对锂离子电池的输出功率、能量密度、安全性和电压等提出了更高的要求，推动了锂离子电池材料的研究。 

1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现了锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。SONY率先在市场上推出的锂离子电池以LiCoO₂为正极材料、焦炭作为负极材料，它们具有可靠的性能和长的循环寿命，目前仍然广泛应用于手机、笔记本电脑、摄像机、平板电脑等各种便携的电子产品中。一直以来，层状石墨一直占据着商业化锂离子电池负极材料的主导地位。然而，以石墨作为负极有着巨大的安全隐患，尤其是在高功率电池，这制约了其在电动汽车(EV)或混合动力汽车(HEV)方面的进一步应用和发展。因此，寻找替代石墨的负极材料非常关键。 

近年来对锂离子电池负极材料的研究非常广泛，通常分为以下几类：锂过渡金属氮化物、过渡金属氧化物、锡基负极材料、纳米材料等。其中，尖晶石结构的钛酸锂[Li₄Ti₅O₁₂]在锂离子脱出和嵌入的过程中晶型不发生变化，具有优良的循环寿命和循环性能，被认为是除了石墨以外性能最优异的化合物。但是其嵌锂电位(～1.55V)比较高且容量(理论比容量为175mAh/g)较低。 

发明内容

本发明的目的是利用高温固相法制备一种高性能正硅酸锂负极材料。与此同时，针对正硅酸锂电子电导率低的缺点，采用惰性气氛或还原气氛下高温固相法，对产物进行碳包覆，大大提高了其电导率和电化学性能。本发明找到了一种工艺简单、原料来源丰富、适合于工业化生产的方法，通过该方法合成的正硅酸锂[Li₄SiO₄]具有优良的充放电容量、循环性能及倍率性能。 

本发明通过简单的工艺、廉价的原料合成正硅酸锂[Li₄SiO₄]，该材料目前没有文献报告其作为锂离子电池负极材料。本发明内容表明，通过该方法合成的材料，特别是在惰性气氛下的高温固相法合成的碳包覆正硅酸锂[Li₄SiO₄]材料，作为锂离子电池负极材料性能优异，嵌锂电位低(0.1～1V)，循环性能优良，有希望成为下一代锂离子电池负极材料。 

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的： 

锂离子电池负极材料正硅酸锂的高温固相制备方法，包括如下步骤： 

(1)混合前躯体：将硅源与锂源按照锂和硅的物质的量摩尔比为4:1的比例混合均匀，球磨6h‐24h，得前驱体；所述硅源为二氧化硅或偏硅酸；所述锂源为锂盐或锂的碱性化合物； 

(2)预处理：将步骤(1)混合均匀的前驱体在空气氛围、惰性气体氛围或者还原气体氛围下200‐400℃加热处理2‐12h，自然冷却后，研磨得到粉末状材料； 

(3)烧结反应：将步骤(2)得到的粉末状材料再次球磨6‐24h，放入管式炉中，在空气氛围、惰性气体氛围或者还原气体氛围下450‐1000℃烧结处理4‐24h，自然冷却后得到正硅酸锂负极材料。 

优选地，步骤(1)中在前驱体混合时还包括加入碳材料,所述的碳材料为碳水化合物、乙炔黑或石墨；所述的碳材料的加入量为正硅酸锂负极材料总质量的1～20％；得到碳包覆的锂离子电池的正硅酸锂负极材料。 

或者是，步骤(3)中在预处理后粉末中加入碳材料，混合均匀后烧结,所述的碳材料为碳水化合物、乙炔黑或石墨；所述的碳材料的加入量为正硅酸锂负极材料总质量的1～20wt％；得到碳包覆的锂离子电池的正硅酸锂负极材料。