[发明专利]一种硅酸铁锂/碳正极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种硅酸铁锂/碳正极材料及其制备方法和用途。所述正极材料包括硅酸铁锂及碳，所述碳存在于硅酸铁锂颗粒表面和颗粒之间；所述硅酸铁锂的通式为Li_xFe_ySi_zO₄，其中，1.7x2.3，0.6y1.2，0.9z1.1；所述正极材料中，碳的含量为3‑20wt％。本发明提供的正极材料中，硅酸铁锂晶格中存在缺陷，提高体相中载流子浓度，改善载流子的迁移速率，进而提高所述正极材料的电化学性能。本发明提供的制备方法操作简单，原料简单易得，经济环保，成本低廉，易于产业化。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体地涉及一种硅酸铁锂/碳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大、使用寿命长、无记忆效应、绿色环保而广泛应用于电子产品、交通运输、航宇以及军事领域。目前，商业化的锂离子电池正极材料主要有过渡金属氧化物型正极材料(LiMO₂，M＝Co、Mn、Ni)，但是Co、Ni成本高、污染大，而锰基材料比容量低、循环性能差；另一类正极材料是橄榄石型的LiFePO₄，具有良好的结构稳定性和循环性、原物料来源广泛、价格低廉且无环境污染等优点，但是其应用受限于能量密度低、低温性能差、一致性不好等问题。这些商业化的正极材料在能量密度、功率密度、安全性能或是生产成本方面逐渐无法满足市场，尤其是新能源汽车和大规模储能系统市场的需求。开发高能量密度、高安全性、低成本、无污染的新型正极材料具有重要的研究意义和经济价值。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存在着电子导电率低(～10^-14S·cm^-1)，锂离子扩散速率较小等问题。

目前，改善Li₂FeSiO₄电子与离子导电率的策略主要包括碳包覆、纳米化和掺杂。Yan等以抗坏血酸为碳源，采用sol-gel法制备了碳包覆的Li₂FeSiO₄材料(Yan Z,Cai S,Miao L,et al.Synthesis and characterization of in situ carbon-coated Li₂FeSiO₄cathode materials for lithium ion battery.Journal of Alloys and Compounds,2012,511(1):0-106.)，碳包覆层可以有效地改善Li₂FeSiO₄的电子导电率，提高其电化学性能。Xu等采用水热法制备了具有中空球形的Li₂FeSiO₄材料(Xu Y,Shen W,Zhang A,etal.Template-free hydrothermal synthesis of Li₂FeSiO₄hollow spheres as cathodematerials for lithium-ion batteries.Journal of Materials Chemistry A,2014,2(32):12982.)，其比表面积高，锂离子传输距离短，有利于提高材料的电化学性能。Qu等采用Mg掺杂策略提高了Li₂FeSiO₄材料的离子电导，降低了其电荷转移电阻(Long Qu,DongLuo,Shaohua Fang,et al.Mg-doped Li₂FeSiO₄/C as high-performance cathodematerial for lithium-ion battery.Journal of Power Sources,2016,307:69-76.)。