[发明专利]一种碳包覆辅助的钠钛双掺杂硅酸铁锂正极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种碳包覆辅助的钠钛双掺杂硅酸铁锂正极材料及其制备方法和用途。所述正极材料的通式为Li_(2‑x)Na_xFe_(1‑y)Ti_ySiO₄/C，其中，C为包覆碳，0.005≤x≤0.2，0.005≤y≤0.2；所述正极材料由钠钛双掺杂硅酸铁锂及包覆在其表面的包覆碳构成。所述方法包括：1)配制锂源、铁源、硅源、钠源和钛源的混合溶液，与螯合剂混合，得到溶胶；2)将溶胶与碳材料混合加热，得到湿凝胶；3)将湿凝胶干燥，再在惰性气氛中煅烧，得到所述的正极材料。所述正极材料的电子电导率在1.5×10^‑4S·cm^‑1以上，锂离子扩散系数在1.3×10^‑15cm²·s^‑1/2以上，倍率性能和循环稳定性同步提高。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种碳包覆辅助的钠钛双掺杂硅酸铁锂正极材料及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池由于能力密度高、使用寿命长、无记忆效应、工作温度范围宽、绿色环保等优势而广泛应用于3C产品、交通运输、航宇以及军事等领域。然而，目前商业化的锂离子电池受限于电池材料尤其是正极材料性能的影响，已经逐渐无法满足新兴市场，比如新能源汽车市场、大规模电网储能市场对于能力密度、功率密度、安全性能以及生产成本的需求。比如目前常用的Li₂CoO₂正极材料，受限于Co资源稀缺，材料的成本高；尖晶石型LiMn₂O₄正极材料虽然成本低，且无毒，污染小，易回收，但是其比容量低(100-120mAh·g^-1)，循环性能差，高温性能不稳定；橄榄石型LiFePO₄的结构稳定性和循环性优异、价格低廉且无环境污染，但是其能量密度低，低温性能差，一致性不好。

为了适应市场的需求，研发高容量、低成本、高安全、无污染的新型锂离子电池正极材料势在必行。硅酸铁锂(Li₂FeSiO₄)由于其理论比容量高达330mAh·g^-1、安全性好、成本低、绿色无污染等优势而广受关注，有望成为未来高容量锂离子电池正极材料之一。然而，Li₂FeSiO₄的电子导电率差(～10-14S·cm^-1)，锂离子扩散速率低，循环过程中结构不稳定等原因，其倍率性能和循环稳定性能较差，限制了其商业化应用。

目前，通常采用碳包覆、减小颗粒尺寸以提高材料的倍率性能，采用离子掺杂改善材料的循环稳定性能。Zhu等人采用石墨烯和无定型碳的双包覆提高材料的导电性能(ZhuHai，Wu Xiaozhen，Zan Ling，et al.Electrochimica Acta 117(2014)34–40.)。CN101546828A公开一种纳米硅酸亚铁锂材料及其制备方法。该发明按化学计量比将锂源、铁源、硅酸根源、掺杂元素化合物溶于含络合剂的水溶液中，并加入经助剂分散的高导电碳纳米管做包覆材料，将所得溶液在100-200℃加热1-3小时得到凝胶，将所得凝胶在惰性气氛炉中烧结，反应温度为600-900℃，反应时间为3-16小时。本发明有效地控制了硅酸亚铁锂的化学成分、相成分和粒径，所得硅酸亚铁锂为碳纳米管包覆的纳米硅酸亚铁锂，颗粒细小、均匀、纯度高，具有较高充放电容量、良好倍率性能和良好循环性能。但是碳包覆只能提高硅酸铁锂颗粒表面以及颗粒之间的电子导电率，对颗粒内部的电子传输改善效果甚微；减小颗粒尺寸并不能改善硅酸铁锂表面和体相的导电率。

基于上述文献的研究，如何能够同步提高硅酸铁锂表面和体相的导电率，同时改善其倍率性能和循环稳定性等电化学性能，成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种碳包覆辅助的钠钛双掺杂硅酸铁锂正极材料及其制备方法和用途，所述正极材料表面和体相的导电率同时提高，质量比容量、倍率性能和循环稳定性等电化学性能同步改善。