[发明专利]具有介孔微球结构的硅酸亚铁锂/碳复合正极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学性能优异、应用于二次锂离子动力电池的具有介孔微球结构的硅酸亚铁锂/碳复合正极材料及制备方法。

背景技术

锂离子电池由于其具有高比能量、高电压平台、小自放电率、宽工作温度范围和长循环寿命等优点被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、数码相机、电动摩托车、电动轿车等领域。因此，锂离子电池的开发与应用已引起全球的关注。锂离子电池的整体性能受其正极材料的影响较大，而且整个电池的成本也在一定程度上决定其正极材料的成本。2005年瑞典Nyte′n博士等报道了一种新型锂离子电池动力电池正极材料Li₂FeSiO₄，其研究源于Li-Fe-Si-O与磷酸铁锂具有相同的晶格稳定效应。Li₂FeSiO₄作为锂离子电池正极材料具有理论容量高、原材料丰富、价格低廉以及环境友好等优点。目前制备Li₂FeSiO₄方法可以分为固相法与液相法两大类。其中固相法包括高温固相法和微波法等；液相法包括溶胶-凝胶法和水热法等。

高温固相法合成工艺相对简单，易于工业化。Nyte′n等首次采用硅酸锂、二水草酸亚铁和TEOS作为原料，丙酮为分散剂，加入10wt％碳凝胶后充分混合，然后在CO/CO₂(1:1)的气氛下，750℃烧结24h制备得到Li₂FeSiO₄材料。微波烧结法具有反应时间短，效率高，能耗低以及环境友好等优点。Muraliganth等[1]将适量的正硅酸乙酯、氧氧化锂、醋酸亚铁溶于30ml四甘醇中，装入石英容器内，微波迅速升温至300℃并保持，压力30bar，5min后冷却至室温，用丙酮反复洗漆至无色，得到Li₂FeSiO₄，将其和蔗糖一起在氩气保护下于650℃处理6h后形成Li₂FeSiO₄/C。溶胶-凝胶法合成的产品结晶度高，粒径均一且较小。R.Dominko等[2]采用溶胶凝胶法制备了Li₂FeSiO₄，粒径为200-300nm，在0.5C下可逆容量的保持率为75％。水热法可以控制样品的晶型和粒径，具有物相均一，粒径小等优点。Yabuuchi等[3]釆用低温水热法合成了Li₂FeSiO₄正极材料。具体过程是将LiOH、胶态氧化硅和FeCl₂在150℃恒温反应3天得到样品，然后将所得样品与乙炔黑球磨得到粒径为50～100nm的材料。

Li₂FeSiO₄用作锂离子电池正极材料虽然有很大的优越性，但是其电子和离子导电率都很低，即使在小电流下进行充放电，锂离子在两相中的扩散也非常慢，这使得材料的电化学性能表现较差，阻碍了该材料的产业化进程。因此，当前对Li₂FeSiO₄材料的改性研究主要集中在提高材料的电子电导率和离子扩散速率两个方面采取的主要措施是控制Li₂FeSiO₄的粒径尺寸，表面包覆以及金属离子掺杂等。

参考文献

[1]Muraliganth T,Stroukoff K R,Manthiram A.Microwave-solvothermal synthesis of nanostructured Li₂MSiO₄/C(M＝Mn and Fe)cathodes for lithium-ion baterries[J].Chem.Mater.,2010,22:5754-5761.

[2]Dominko R,Conte D E,Hanzel D,et al.Impact of synthesis conditions on the structure and performance of Li₂FeSiO₄[J].J.Power Sources,2008,178:842-847.