[发明专利]一种方酸锂材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种方酸锂材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括：将方酸和锂源干法混合，得到混合物；将所述混合物烧结，得到所述方酸锂材料。本发明提供的制备方法具有无溶剂化的特点，工艺简单、可操作性强、环保性好，适于实现方酸锂材料的工业化应用。通过所述制备方法得到的方酸锂材料的结晶性好，具有显著提高的电导率和电化学活性。所述方酸锂材料作为补锂添加剂，能够有效改善锂离子电池的容量，实现优异的补锂效果。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种方酸锂材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池在首次充电过程中，电解液会在负极表面分解形成固体电解质相界面(SEI)膜，永久地消耗大量来自正极的锂，造成首次循环的库仑效率(ICE)偏低，降低了锂离子电池的容量和能量密度。现有的石墨负极材料有5-10％的首次不可逆锂损耗，而对于高容量的负极材料，首次锂损耗甚至更高，硅的不可逆容量损失高达15-35％。补锂技术可以补偿这部分容量损失，即补偿首周充放电中活性锂的损失，抵消形成SEI膜造成的不可逆锂损耗，目前补锂的思路分为负极补锂和正极补锂两种。负极补锂的策略包括锂粉补锂、电化学预锂化、化学嵌锂、自放电机制锂化等，负极补锂通常会采用还原性较强的锂源，例如锂粉，不仅价格昂贵，且化学性质非常活泼，在潮湿环境下会自燃，而目前锂离子电池负极又多采用水性粘结剂，因此负极补锂在实际生产中具有较高的操作难度和风险。

与负极补锂技术相比，正极补锂技术具有相对稳定、易于实现、补锂能力较高等优点，正极补锂的主要方法包括正极过锂化、正极预嵌锂材料和牺牲锂盐。其中，正极过锂化材料的制备工艺复杂，生产成本高；正极预嵌锂材料除了补充锂源外，还引入了大量的非活性物质，导致电池能量密度的降低。牺牲锂盐在充电过程中产生锂离子，并分解形成无害的气体，如氮气、二氧化碳和一氧化碳等，不会引入干扰储能体系电化学反应的杂质，是比较适宜的补充锂源，已知的牺牲锂盐包括草酸锂、方酸锂、氮化锂等，其中，方酸锂的比容量高，是传统正极材料的比容量的两倍，适合作为牺牲锂盐以补偿锂离子的不可逆容量损失，但是，方酸锂的导电性和离子迁移率很低，电化学活性欠佳，限制了其在正极补锂技术中的应用。

尽管方酸锂在电化学活性方面存在不足之处，但其在比容量方面的优势吸引了研究人员的持续关注，并为了实现方酸锂的产业化应用而对其制备方法进行了研究。制备方酸锂的常规方法是基于酸碱反应的水溶液法，将氢氧化锂溶解于水中，然后向其中加入方酸并搅拌反应，生成方酸锂(“Oxocarbon Salts for Fast Rechargeable Batteries”，Qing Zhao等，Angew.Chem.Int.Ed.，第55卷，第12528-12532页)。由于该方法在水介质中进行，导致产物中带有结晶水，对后续的干燥过程具有极高的要求，而且充分干燥后方酸锂的性能仍存在不足。CN110683944A公开了一种方酸盐及其制备方法和应用，其将方酸和碱性锂源混合，在不以水为溶剂的条件下进行反应，得到具有脊椎多级结构、条状多级结构、颗粒状堆积结构、片状阶梯结构或类球状堆积结构的方酸锂。该方法从源头上解决了结晶水的问题，并对方酸锂的形貌构造进行选择性调控设计，但得到的产物易发生团聚，并且该方酸锂分解电压为4.1-4.8V，在一些应用场景(例如锂硫电池体系中4.5V的截止电压)下无法释放全部容量，这也限制了该方酸锂在锂硫电池和锂离子电池中的应用。

因此，开发电化学活性更高且易于制备的方酸锂材料，是本领域亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种方酸锂材料及其制备方法和应用，所述制备方法为无溶剂化工艺，不仅工艺简单、环保性好，而且得到的方酸锂材料的结晶性好，首次充电比容量大，电化学活性高，其作为补锂添加剂，能够有效提升电池的容量。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种方酸锂材料的制备方法，所述制备方法包括：将方酸和锂源干法混合，得到混合物；将所述混合物烧结，得到所述方酸锂材料。