[发明专利]一种新型的锂离子电池正极材料

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种新型的锂离子电池正极材料。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长等优点而成为应用最广泛的电池。随着电子产品的发展以及大型设备要求，人们要求锂离子电池具备高倍率性能高能量密度、长时间稳定性等。为解决这一问题，开发新一代高能量密度的电极材料非常重要，尤其是需要高能量密度的电极正极材料。锂离子电池的正极材料通常分为锂离子嵌入反应、与金属锂的合金化反应、化学转换反应三种不同的反应机理。嵌入反应机理是锂离子在不改变材料晶体结构的情况下，在层结构的材料中可逆地进行嵌入和脱出。化学转换反应式电极材料是指在充放电过程中，在电极上，金属阳离子发生可逆结构变化的化学反应。这样金属阳离子完全被还原为金属单质，从而实现多个电子参与反应，获得了更高的比容量。基于化学转换反应的电极材料，有硫化物、氧化物、氯化物、金属氟化物等。尽管陆续有一些基于化学转换反应的锂离子电池正极材料被开发出来，其比容量也有所提高，然而这些正极材料的电子转移一般在2-3左右，其提高能量密度的空间仍有待开发。

嵌入式锂离子电池正极材料在充放电过程中，电化学可逆性出色，具有良好的循环性能及倍率性能；然而，在充放电前后，要求电极材料保持晶体结构稳定，脱嵌锂离子浓度较低，充放电过程中转换的电子数少于1个电子，因而嵌入式锂离子电池正极材料的实际放电深度受限，其电池容量的提高受到了很大的限制。合金化反应的电极材料发生严重的体积膨胀和收缩，从而导致电极的坍塌，电池容量衰减明显，因而很难作为实际的电极材料使用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，基于化学转换反应机理，目的在于提供一种新型的锂离子电池正极材料-立方磷酸铋Bi1_3.1PO_δ，该材料在充放电过程中，由于可以进行多电子反应，因而其比容量远远大于常规嵌入式锂离子电池正极材料。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种新型的锂离子电池正极材料，包括正极活性材料，所述的活性材料为立方磷酸铋Bi_13.1PO_δ，其中δ为O原子的化学计量，优选为为20。

所述的活性材料立方磷酸铋通过以下方法制备：将氧化铋、磷酸钾分别混合溶解、分散于离子水中，并调整pH值高于13，调整后的溶液经充分搅拌均匀后，将混合液转移至聚四氟乙烯反应釜中，并在高于120℃的温度下水热反应高于6小时，反应结束后，将产物清洗数次，并于60℃下干燥，既得活性材料立方磷酸铋。

所述的氧化铋与磷酸钾的摩尔比为1:1～13:1。

本发明同时提供了一种锂离子电池正极，由本发明所提供的锂离子电池正极材料与导电剂、粘结剂及溶剂一起配制成浆料后涂覆在正极集电体上，经干燥、压延制备得到。

所述的电池正极材料为立方磷酸铋；所述的导电剂为乙炔黑；所述的粘结剂为聚偏氟乙烯；所述的溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮。

所述的锂离子电池正极通过以下方法制备：按质量比8:1:1称取立方磷酸铋、乙炔黑、聚偏氟乙烯(PVDF)，滴加适量的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作溶剂，混合均匀，涂敷在铜箔集流体上，晾干，在80℃真空干燥箱干燥4h，利用切片机将其切成直径为1cm的小圆片，接着压片、称重，得到电极极片。

本发明同时还提供了锂离子电池，包括电池壳体和密封在该电池壳体内的电极组和电解液；电极组包括正极、负极、以及位于正极和负极之间的隔膜，其中，正极为上述正极。

本发明的有益效果为：使用相对廉价的化工原料、通过较为简单的设备和工艺，制备一种可用作锂离子电池的正极材料。其生产简单、形貌易控，且作为电池的正极材料使用时，具有高的比容量、循环性能和倍率性能。

本发明是以水热法制备软铋矿结构的立方磷酸铋，其化学式为Bi_13.1PO_δ，该物质与其他基于化学转换反应的锂离子电池正极材料相比，具有以下优点：

1)制备的立方结构的材料形貌易控；

2)制备方法多样，可通过水热法或固相反应法等方法获得；

3)立方磷酸铋Bi_13.1PO_δ中可被替换的Bi原子较多，进行充放电过程中参与的电子数较多，比容量大。

4)制备方法简单，生产工艺简单，且对设备和反应条件要求低，周期较短，有利于降低成本及大规模工业化

附图说明