[发明专利]一种稀土元素掺杂型硅酸盐正极材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种稀土元素掺杂型硅酸盐正极材料、其制备方法及应用，包括活性组分Li₂M_1‑3/2xR_xSiO₄以及包裹于活性组分Li₂M_1‑3/2xR_xSiO₄外的导电剂包覆层；其中，M为Fe及Mn中一种或两者的组合，R为La、Ce、Nd、Sm及Yb其中一种或几种的组合，0＜x≤2/3，该正极材料具有离子导电率高及循环性能好的特点，且制备方法简单。

技术领域

本发明属于能源化工及材料科学领域，涉及一种稀土元素掺杂型硅酸盐正极材料、其制备方法及应用。

背景技术

面对传统石化能源日益紧缺，近十年来，太阳能、风能、地热能、潮汐能等新能源技术快速发展。将这些新能源高效利用的关键环节就是能量存储与转换器件。在诸多储能器件中，锂离子电池因其具有自放电率低、能量转化效率高、循环寿命长等优势，而受到广泛关注。为了满足大规模储能技术的需求，研究者们仍不遗余力地开发高容量锂离子电池。在诺贝尔化学奖获得者古德纳夫先生的开创性工作的指引下，大量研究聚焦于聚阴离子型正极材料上。这其中，锂过渡金属正硅酸盐(Li₂FeSiO₄及Li₂MnSiO₄)以其理论容量高(约330mAh g-1)、制造成本低、环境友好的优点脱颖而出。

鉴于硅酸盐正极材料低的电导率和慢的锂离子扩散，缩小活性物质颗粒尺寸及高导电材料(无机碳材料或导电高分子)包覆是提高其电化学性能的主要手段。迄今为止，已有多种技术用于合成硅酸盐正极材料。固相法需在较高的温度下进行长时间烧结，所得材料颗粒尺寸呈现微米级，不利与发挥高理论容量地优势。通过水热法得到的颗粒尺寸较小，但是对于硅酸盐来说，该方法较难得到高纯及高结晶度产物。溶胶-凝胶法可获得Li、Fe、Si元素在干胶前驱体中原子级分散程度，因而常用于制备高纯纳米级硅酸盐正极材料。采用水热辅助或微波辅助溶胶-凝胶法所合成材料倍率性能较好。结合原位碳包覆技术，溶胶-凝胶法可阻止烧结过程中硅酸盐活性物质颗粒长大，有助于缩短锂离子扩散路径。

阳离子掺杂也是升聚阴离子型正极材料锂离子扩散的有效方法之一。迄今为止，Mg、V、Cr、Co、Ni、Cu及Zn掺杂的聚阴离子正极材料相继被合成。V、Cr、Ni及Co掺杂能够提高放电容量和倍率性能，但是对于循环性能不利。Mg、Cu及Zn掺杂能够提高循环性能，但是对于放电容量没有帮助。究其根源，在于硅酸盐材料的高导电性和SiO₄框架结构的稳定性不可兼得。因此，开发离子电导率高、循环性能好的硅酸盐正极材料一直是研究者们追求和努力的方向。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种稀土元素掺杂型硅酸盐正极材料、其制备方法及应用，该正极材料具有离子导电率高及循环性能好的特点，且制备方法简单。

为达到上述目的，本发明所述的稀土元素掺杂型硅酸盐正极材料包括活性组分Li₂M_1-3/2xR_xSiO₄以及包裹于活性组分Li₂M_1-3/2xR_xSiO₄外的导电剂包覆层；

其中，M为Fe及Mn中一种或两者的组合，R为La、Ce、Nd、Sm及Yb其中一种或几种的组合，0＜x≤2/3。

活性组分Li₂M_1-3/2xR_xSiO₄的尺寸为10nm-1μm。

导电剂包覆层的厚度为5-20nm。

导电剂包覆层的材质为碳。

本发明所述稀土元素掺杂型硅酸盐正极材料的制备方法包括以下步骤：