CN101604745B - 锂离子动力电池用硅酸盐正极材料及其制备方法、锂离子动力电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池用硅酸盐正极材料及其制备方法、锂离子动力电池，要解决的技术问题是提高正极材料的导电性能、循环寿命。本发明的正极材料，以Li_nMSiO₄为基体，基体外包覆有碳材料微粒层，厚度在0.5～50nm之间。其制备方法包括：将锂、过渡金属元素、硅和碳制成前驱体浆料，静置、超细磨、再静置、干燥、热处理、融合处理。本发明的锂离子动力电池，正极材料以Li_nMSiO₄为基体，基体外包覆有碳材料微粒层，厚度在0.5～50nm之间。本发明与现有技术相比，正极材料具有堆积密度高、体积比容量高、电池加工性能好的优点，用该材料作正极材料制作的动力电池具有较高的安全性能、倍率性能、循环性能。

Description

锂离子动力电池用硅酸盐正极材料及其制备方法、锂离子动力电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用正极材料及其制备方法、锂离子电池，特别是一种锂离子动力电池用的正极材料及其制备方法，以及使用该材料的锂离子电池。

背景技术

近年来，锂离子动力电池的发展如火如荼，动力电池用正极材料磷酸铁锂在全球的销量稳步增长，对锂离子动力电池的开发必将具有战略性的意义。作为锂离子动力电池的核心组成部分之一，正极材料的发展一定程度上影响整个锂离子电池行业的发展。锂离子电池正极材料主要分三类：一维结构，如橄榄石型磷酸铁锂，二维结构，如钴酸锂、镍系多元材料，三维结构，如尖晶石型的锰酸锂。从成本上考虑具有尖晶石型结构的锰酸锂最具优势，并且其电压平台适中、可耐12V的过充、充电态热稳定性好，适合于现阶段的锂离子电池电解液体系，但由于高温性能问题难以克服，使其在动力电池中应用受到一定限制。从能量密度考虑层状结构的过度金属氧化物最佳，但是其耐过充的性能较差，充电态热稳定性较差，分解放出大量的热，容易导致安全问题隐患。具有一维结构的磷酸盐和硅酸盐正极材料由于具有最佳的安全性能：耐过充、稳定、安全，而被认为是最适合作为动力电池用正极材料。相比于磷酸铁锂正极材料，硅酸盐正极材料有如下几个优点：理论容量高于200mAh/g，成本低廉，硅在地壳中丰度仅次于氧，安全性能优秀，对环境友好。

与磷酸铁锂正极材料类似，硅酸盐正极材料的的导电系数较小，因此研究者对该类材料的研究主要集中在提高其导电率和合成方法方面。通过研究者对其性能的不断改进，硅酸盐正极材料有望成为新一代锂离子动力电池正极材料。从已有的研究论文看，多采用掺入导电性高的的碳以其提高其导电性能，从合成方法上看，主要采用液相或传统固相法，杨勇[Journal of Power Sources 174(2007)524-527]、[CN.1803608]和Dominko[Journal of Power Sources 174(2007)457-461]分别采用固相法和液相法合成了硅酸盐正极材料，通过掺入无定形碳提高其导电率。液相合成法工艺复杂，成本较高，实现产业化有一定的难度，传统的固相法合成硅酸盐正极材料由于混合的不够均匀，难于形成性能优秀的正极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子动力电池用硅酸盐正极材料及其制备方法、锂离子动力电池，要解决的技术问题是提高硅酸盐正极材料的导电性能、循环寿命、提高现有动力电池用正极材料的能量密度。

本发明采用以下技术方案：一种锂离子动力电池用硅酸盐正极材料，通式为Li_nMSiO₄/C_x，以Li_nMSiO₄为基体，基体外包覆有碳材料微粒层，基体与碳材料微粒层组合成复合颗粒，其中1.9≤n≤2.1，M为过渡金属元素钴、锰、镍、铁、钒或钛，0＜x≤2，C由碳或碳源化合物分解生成；所述基体的平均粒径在0.1～30.0μm之间，碳材料微粒层的厚度在0.5～50nm之间；所述复合颗粒具有球形、长短轴比为5～30的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的微观特征，比表面积为0.2～30m²/g。

本发明的碳源化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶，纤维素、葡萄糖、煤沥青和石油沥青中的一种以上。

本发明的锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的理论比容量＞200mAh/g。

一种锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的制备方法，包括以下步骤：一、将锂源化合物中的锂：过渡金属元素：硅源化合物中的硅按摩尔比1.9～2.1∶1∶1混合，同时加入碳或碳源化合物，硅元素与碳或碳源化合物分解生成碳的摩尔比1∶大于0至2，形成原料混合物；二、将原料混合物分散于水、乙醇或丙酮溶剂中，固体与溶剂的质量比为1～1.5∶1，转速100～500r/min，研磨分散2～20小时，形成前驱体浆料；三、将前驱体浆料置入储罐静置0.5～4h，再通过超细磨，转速500～2000r/min，时间1～4h，进入另一个储罐静置0.5～2h，干燥机干燥处理，然后在100～200℃条件下气相干燥，得到分散粉体；四、将分散粉体以1～15℃/min的升温速度，在600～900℃的温度范围内热处理4～40小时，然后自然冷却至150℃以下；五、机械融合处理，转速500～800r/min，时间15～300分钟，得到锂离子动力电池硅酸盐正极材料。

本发明的方法将冷却后的材料破碎、分散。

本发明的方法融合处理后进行筛分，得到平均粒度在0.1～30μm之间的锂离子动力电池硅酸盐正极材料。

本发明的方法锂源化合物采用氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、碘化锂、叔丁醇锂、苯甲酸锂、甲酸锂、氟化锂、铬酸锂、四水柠檬酸锂、四氯铝酸锂、溴化锂、四氟硼酸锂、草酸锂中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；所述过渡金属元素采用钴、钴源化合物、锰、锰源化合物、镍、镍源化合物、铁、铁源化合物、钒、钒源化合物、钛或钛源化合物；钴源化合物采用乙酸钴、一氧化钴、四氧化三钴、三氧化二钴、硝酸钴、碳酸钴、氢氧化高钴、氢氧化钴、氯化钴、碱式碳酸钴中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；锰源化合物采用二氧化锰、环烷酸锰、氯化锰、四氧化三锰、碳酸锰、硝酸锰、一氧化锰、乙酸锰、氢氧化锰中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；镍源化合物为草酸镍、甲酸镍、碱式碳酸镍、氯化镍、氢氧化镍、氢氧化高镍、三氧化二镍、四碳合镍、碳酸镍、硝酸镍、一氧化镍、乙酸镍中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；铁源化合物为硫化亚铁、氯化亚铁、氯化铁、柠檬酸铁、氢氧化铁、乳酸亚铁、五羟基合铁、硝酸铁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化亚铁、草酸亚铁中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；钒源化合物为五氧化二钒、一氧化钒、二氧化钒、三氧化二钒、偏钒酸铵中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；钛源化合物为氮化钛、二硫化钛、二氧化钛、偏钛酸、羟基二乳酸合钛、三氯化钛、钛酸异丙酯、四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；所述硅源化合物为苯基三氯硅烷、氮化硅、二甲基二氯硅烷、硅橡胶、二乙基二氯硅烷、二氯硅烷、二乙基氯硅烷、二氧化硅、氟硅菊酯、氟硅橡胶、氟硅酸铵、硅胶、硅烷交联聚丙烯、硅油、正硅酸乙酯、甲基苯基硅橡胶、甲基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基硅橡胶、聚硅氧烷、氰硅橡胶、三氯甲硅烷、三乙基氯硅烷、四氟化硅、四氯化硅、一氧化硅、一乙基三氯硅烷、乙基二氯硅烷中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；所述碳源化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶，纤维素、葡萄糖、煤沥青、石油沥青中的一种或两种以上任意摩尔比混合物。

本发明的方法将分散粉体在600～900℃的温度范围内热处理4～40小时，期间通入氮气、氩气、一氧化碳、氢气、天然气的一种或两种以上任意比例混合气体，流速为20～1000mL/min之间。

一种锂离子动力电池，具有正极，正极由正极材料、导电剂、粘结剂，以溶剂混合均匀后涂于金属箔上，干燥、辗压并冲切成片，其特征在于：所述正极材料的通式为Li_nMSiO₄/C_x，以Li_nMSiO₄为基体，基体外包覆有碳材料微粒层，基体与碳材料微粒层组合成复合颗粒，其中1.9≤n≤2.1，M为过渡金属元素钴、锰、镍、铁、钒或钛，0＜x≤2，C由碳或碳源化合物分解生成；所述基体的平均粒径在0.1～30.0μm之间，碳材料微粒层的厚度在0.5～50nm之间；所述复合颗粒具有球形、长短轴比为5～30的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的的微观特征，比表面积为0.2～30m²/g。

本发明的方法正极材料的理论比容量＞200mAh/g。

本发明与现有技术相比，采用纳米制备和分散、掺杂改性、机械融合、球形化和催化的工艺制备前驱体，并通过包覆掺杂的改性方法处理后的材料具有容量高、堆积密度高、压实密度高、体积比容量高、大倍率性能好、产品一致性好、电池加工性能好且成本低廉的优点，用该材料作正极材料制作的动力电池具有较高的安全性能、倍率性能、循环性能。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的材料的SEM图。

图2是本发明实施例1制得的材料的放电曲线图。

图3是本发明实施例1制得的材料的循环性能图。

图4是对比例1的磷酸铁锂材料的充放电曲线图。

图5是对比例1的磷酸铁锂材料的循环性能图。

图6是本发明原料纳米化处理所用的装置图。

图7是本发明超细分散流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的锂离子动力电池硅酸盐正极材料，其通式为Li_nMSiO₄/C_x，以Li_nMSiO₄为基体，并且基体外包覆有碳材料微粒层，基体与碳材料微粒层组合成复合颗粒，其中1.9≤n≤2.1，M为过渡金属元素钴、锰、镍、铁、钒或钛，0＜x≤2，C由不同形式的碳或碳源化合物分解生成，碳源化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶，纤维素、葡萄糖、煤沥青和石油沥青中的一种或两种以上任意比例混合。所述基体的平均粒径在0.1～30.0μm之间，碳材料微粒层的厚度在0.5～50nm之间，所述复合颗粒具有球形、长短轴比为5～30的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的的微观特征，比表面积为0.2～30m²/g。

在本发明的锂离子动力电池硅酸盐正极材料，其安全性高，耐过充、热稳定好，理论比容量＞200mAh/g，并且电化学窗口适中，为1.5～4.9V。

本发明的锂离子动力电池硅酸盐正极材料的制备方法，包括以下步骤：

一、将锂源化合物中的锂∶过渡金属元素∶硅源化合物中的硅按摩尔比1.9～2.1∶1∶1混合，同时加入碳或碳源化合物，硅元素与碳或碳源化合物分解生成碳的摩尔比1∶大于0至2，形成原料混合物。

所述锂源化合物采用氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、碘化锂、叔丁醇锂、苯甲酸锂、甲酸锂、氟化锂、铬酸锂、四水柠檬酸锂、四氯铝酸锂、溴化锂、四氟硼酸锂、草酸锂中的一种或两种以上任意摩尔比混合物。

所述过渡金属元素采用钴、钴源化合物、锰、锰源化合物、镍、镍源化合物、铁、铁源化合物、钒、钒源化合物、钛或钛源化合物；钴源化合物采用乙酸钴、一氧化钴、四氧化三钴、三氧化二钴、硝酸钴、碳酸钴、氢氧化高钴、氢氧化钴、氯化钴、碱式碳酸钴中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；锰源化合物采用二氧化锰、环烷酸锰、氯化锰、四氧化三锰、碳酸锰、硝酸锰、一氧化锰、乙酸锰、氢氧化锰中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；镍源化合物为草酸镍、甲酸镍、碱式碳酸镍、氯化镍、氢氧化镍、氢氧化高镍、三氧化二镍、四碳合镍、碳酸镍、硝酸镍、一氧化镍、乙酸镍中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；铁源化合物为硫化亚铁、氯化亚铁、氯化铁、柠檬酸铁、氢氧化铁、乳酸亚铁、五羟基合铁、硝酸铁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化亚铁、草酸亚铁中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；钒源化合物为五氧化二钒、一氧化钒、二氧化钒、三氧化二钒、偏钒酸铵中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；钛源化合物为氮化钛、二硫化钛、二氧化钛、偏钛酸、羟基二乳酸合钛、三氯化钛、钛酸异丙酯、四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或两种以上任意摩尔比混合物。

所述硅源化合物为苯基三氯硅烷、氮化硅、二甲基二氯硅烷、硅橡胶、二乙基二氯硅烷、二氯硅烷、二乙基氯硅烷、二氧化硅、氟硅菊酯、氟硅橡胶、氟硅酸铵、硅胶、硅烷交联聚丙烯、硅油、正硅酸乙酯、甲基苯基硅橡胶、甲基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基硅橡胶、聚硅氧烷、氰硅橡胶、三氯甲硅烷、三乙基氯硅烷、四氟化硅、四氯化硅、一氧化硅、一乙基三氯硅烷、乙基二氯硅烷中的一种或两种以上任意摩尔比混合物。

所述碳源化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶，纤维素、葡萄糖、煤沥青、石油沥青中的一种或两种以上任意摩尔比混合物。

二、将原料混合物分散于水、乙醇或丙酮溶剂中，固体与溶剂的质量比为1～1.5∶1，如图6所示，进行纳米化处理，转速100～500r/min，研磨分散2～40小时，形成前驱体浆料。

三、如图7所示，将前驱体浆料置入储罐静置0.5～4h，再通过超细磨，转速500～2000r/min，时间0.5～4h，然后进入另一个储罐静置0.5～2h，再干燥机干燥处理，最后在100～300℃条件下气相干燥，得到硅酸盐正极材料的前驱体混合物的分散粉体。此工艺步骤，有利于实现硅酸盐正极材料的均匀、可控掺杂、导电性能的改善和倍率性能的提高。

四、将分散粉体以1～15℃/min的升温速度，在咸阳蓝光热工科技公司的HB-R-L型回转炉、宜兴市昌明炉业有限公司的TX-1000型隧道窑或江苏飞达炉业的XT-46型辊道窑中，600～900℃的温度范围内热处理4～40小时，期间通入氮气、氩气、一氧化碳、氢气、天然气的一种或两种以上任意比例混合气体，流速为20～1000mL/min之间，然后自然冷却至150℃以下。此工艺步骤，有利于得到晶型合理、包覆完整的硅酸盐正极材料颗粒。

五、将冷却后的材料破碎、分散，采用上海机械三厂的FLW型气流粉碎机。

六、在融合机上机械融合处理，转速500～800r/min，时间15～300分钟。融合处理是将材料置于狭小空隙中，以较低速度进行摩擦滚动、捣实，使其中的小颗粒嵌入到大颗粒中，得到密实的材料，以提高导电性能、循环寿命、能量密度。经过融合处理的材料在电极的加工过程中浆料细密、流动性比融合处理前好，不出现团聚、沉淀现象。

七、筛分，得到平均粒度在0.1～30μm之间的锂离子动力电池硅酸盐正极材料，采用合肥水泥研究设计院超细微技术部的ASL-6型射流分级机、上海机械三厂的FQZ型亚微米分级机、上海机械三厂的FQE型超微米气流分级机或多级振动筛。

本发明的方法制得的锂离子动力电池硅酸盐正极材料，采用美国热电NSS7型能谱仪测试硅酸盐正极材料Li_nMSiO₄/C_x中的碳均匀性分布，北京中科科仪技术发展有限责任公司的KYKY-2800B型扫描电镜观测形貌，英国马尔文Malvern2000型激光衍射粒度分析仪测试粒径，美国康塔仪器公司的NOVA-1000e比表面积和孔径分布分析仪测试比表面积。本发明的方法制备的材料，其通式为Li_nMSiO₄/C_x，式中1.9≤n≤2.1，0＜x≤2，M为钴、锰、镍、铁、钒或钛，以Li_nMSiO₄基体，基体外包覆有碳材料微粒层，基体与微粒组合成复合颗粒，复合颗粒具有球形、长短轴比为5～30的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的微观特征，其平均粒径为0.1～30.0μm，比表面积为0.2～30m²/g。

将本发明的方法制得的锂离子动力电池硅酸盐正极材料、导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF按照90∶5∶5的质量比，以NMP作溶剂混合均匀后涂于铝箔上，120℃干燥12小时后，辗压并冲切成直径为8.4mm圆片，作为模拟电池正极。模拟电池组装在氩气保护的MBRAUN手套箱中进行，H₂O和O₂的体积浓度含量低于0.002％。负极为金属锂片，隔膜是Celgard2400，电解液为1mol·L^-1LiPF₆/DMC+DEC(体积比为1∶1)，组成扣式模拟电池。模拟电池的电化学性能测试在深圳市新威尔电子有限公司的TC481电池检测系统上进行，以0.25mA/cm²的充放电电流密度充放电，充放电电压为范围为1.5～4.9V。

本发明制备的硅酸盐正极材料Li_nMSiO₄/C_x，与磷酸铁锂相比，由于硅具有比磷更低的电负性，电子禁带宽度更窄，再加上制备上采用独特工艺，最终形成以Li_nMSiO₄晶粒为基体，纳米碳层包覆在基体上，基体间形成电子传导网络，不随充放电过程中结构变化而改变，因此具有更高的电子和离子导电性，以及循环稳定性；Si-O键比P-O键的键能更大，更稳定，在充放电过程中不会发生释氧反应；还有在空气中，在400℃下都非常稳定。因而，本发明制备的硅酸盐正极材料Li_nMSiO₄/C_x具有很高的倍率性能、热稳定性能、安全性能、难过充性能和循环性能

实施例1：按摩尔比将氢氧化锂中的锂∶硝酸锰中的锰元素∶正硅酸乙酯中的硅2∶1∶1混合，同时加入葡萄糖，硅元素与葡萄糖分解生成的碳摩尔比1∶1，形成原料混合物。将原料混合物分散于水中，固体与水的质量比为1∶1，然后在纳米材料制备装置中进行纳米化处理，转速100r/min，研磨分散40小时，制得硅酸盐正极材料的前驱体浆料。将前驱体浆料置入储罐静置0.5h，再超细磨，1000r/min，时间2h，进入另一个储罐静置0.5h，然后进入干燥机干燥处理，在100℃条件下气相干燥，得到分散粉体。将分散粉体以1℃/min的升温速度，600℃的温度范围内热处理40小时，期间通入氮气和氢气混合气体，流速为1000mL/min，然后自然冷却至150℃以下。破碎分散后机械融合处理，转速800r/min，时间15分钟，筛分，得到锂离子动力电池硅酸锰锂Li₂MnSiO₄正极材料。

对实施例1制备得到的Li₂MnSiO₄进行测试，如图1所示，复合颗粒具有球形、长短轴比为5的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的微观特征。以Li₂MnSiO₄为基体，基体外包覆碳材料微粒层的厚度在10nm。复合颗粒平均粒径为0.5μm，比表面积为29.8m²/g，

将实施例1制备得到的Li₂MnSiO₄正极材料用于制作模拟电池正极后，以0.25mA/cm²的充放电电流密度充放电，充放电电压为范围为1.5～4.9V。如图2所示，首次容量为200mAh/g，如图3所示，循环20周的容量保持率为99.0％。

实施例2：按摩尔比将碳酸锂中的锂∶碳酸锰中的锰元素∶一氧化硅中的硅1.9∶1∶1混合，同时加入聚乙烯醇，硅元素与聚乙烯醇分解生成的碳摩尔比1∶2，形成原料混合物。将原料混合物分散于乙醇中，固体与乙醇的质量比为1.5∶1，然后在纳米材料制备装置中进行纳米化处理，转速500r/min，研磨分散2小时，制得硅酸盐正极材料的前驱体浆料。将前驱体浆料置入储罐静置1h，再超细磨，2000r/min，时间1h，进入另一个储罐静置1h，然后进入干燥机干燥处理，在200℃条件下气相干燥，得到分散粉体。将分散粉体以8℃/min的升温速度，750℃的温度范围内热处理20小时，期间通入氮气和氢气混合气体，流速为500mL/min，然后自然冷却至150℃以下。破碎分散后机械融合处理，转速650r/min，时间100分钟，筛分，得到锂离子动力电池硅酸锰锂Li_1.9MnSiO₄正极材料。

对实施例2制备得到的Li_1.9MnSiO₄进行测试，复合颗粒具有球形、长短轴比为15的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的微观特征，以Li_1.9MnSiO₄的为基体，基体外包覆碳材料微粒层的厚度在40nm，复合颗粒平均粒径为15μm，比表面积为10.2m²/g。

将实施例2制备得到的Li_1.9MnSiO₄正极材料用于制作模拟电池正极后，以0.25mA/cm²的充放电电流密度充放电，充放电电压为范围为1.5～4.9V，首次容量为185mAh/g，循环20周后容量保持率为100％。

实施例3：按摩尔比将醋酸锂中的锂∶乙酸锰中的锰元素∶二氯硅烷中的硅2.1∶1∶1混合，同时加入聚丙烯腈，硅元素与聚丙烯腈分解生成的碳摩尔比1∶0.5，形成原料混合物。将原料混合物分散于乙醇中，固体与乙醇的质量比为1.2∶1，然后在纳米材料制备装置中进行纳米化处理，转速350r/min，研磨分散10小时，制得硅酸盐正极材料的前驱体浆料。将前驱体浆料置入储罐静置4h，再超细磨，500r/min，时间4h，进入另一个储罐静置2h，然后进入干燥机干燥处理，在100℃条件下气相干燥，得到分散粉体。将分散粉体以15℃/min的升温速度，900℃的温度范围内热处理4小时，期间通入氮气和氢气混合气体，流速为20mL/min，然后自然冷却至150℃以下。破碎分散后机械融合处理，转速500r/min，时间300分钟，筛分，得到锂离子动力电池硅酸锰锂Li_2.1MnSiO₄正极材料。

对实施例3制备得到的制备得到的Li_2.1MnSiO₄进行测试，复合颗粒具有球形、长短轴比为30的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的微观特征，以Li_2.1MnSiO₄为基体，基体外包覆碳材料微粒层的厚度在50nm，复合颗粒平均粒径为30μm，比表面积为0.2m²/g。

将实施例3制备得到的Li_2.1MnSiO₄正极材料用于制作模拟电池正极后，以0.25mA/cm²的充放电电流密度充放电，充放电电压为范围为1.5～4.9V，首次容量为190mAh/g，循环20周后容量保持率为91％。

实施例4：按摩尔比将销酸锂中的锂∶柠檬酸铁中的铁元素∶正硅酸乙酯中的硅2.05∶1∶1混合，同时加入煤沥青，硅元素与煤沥青分解生成的碳摩尔比1∶1，形成原料混合物。将原料混合物分散于乙醇中，固体与乙醇的质量比为1.2∶1，然后在纳米材料制备装置中进行纳米化处理，转速250r/min，研磨分散20小时，制得硅酸盐正极材料的前驱体浆料。将前驱体浆料置入储罐静置0.5h，再超细磨，800r/min，时间2h，进入另一个储罐静置1h，然后进入干燥机干燥处理，在120℃条件下气相干燥，得到分散粉体。将分散粉体以10℃/min的升温速度，750℃的温度范围内热处理10小时，期间通入氮气和氢气混合气体，流速为50mL/min，然后自然冷却至150℃以下。破碎分散后机械融合处理，转速600r/min，时间60分钟，筛分，得到锂离子动力电池硅酸铁锂Li_2.05FeSiO₄正极材料。

对实施例4制备得到的Li_2.05FeSiO₄进行测试，复合颗粒具有球形、长短轴比为5的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的微观特征，以Li_2.05FeSiO₄为基体，基体外包覆碳材料微粒层的厚度在20nm，复合颗粒平均粒径为1.0μm，比表面积为20.0m²/g。

将实施例4制备得到的Li_2.05FeSiO₄正极材料用于制作模拟电池正极后，以0.25mA/cm²的充放电电流密度充放电，充放电电压为范围为1.5～4.9V，首次容量为160mAh/g，循环20周后容量保持率为99.5％。

实施例5：按摩尔比将醋酸锂中的锂∶乙酸锰中的锰、柠檬酸铁中的铁元素∶正硅酸乙酯中的硅2.02∶0.5∶0.5∶1混合，同时加入葡萄糖，硅元素与葡萄糖分解生成的碳摩尔比1∶2，形成原料混合物。将原料混合物分散于乙醇中，固体与乙醇的质量比为1∶1，然后在纳米材料制备装置中进行纳米化处理，转速500r/min，研磨分散10小时，制得硅酸盐正极材料的前驱体浆料。将前驱体浆料置入储罐静置0.5h，再超细磨，1500r/min，时间1h，进入另一个储罐静置0.5h，然后进入干燥机干燥处理，在150℃条件下气相干燥，得到分散粉体。将分散粉体以5℃/min的升温速度，700℃的温度范围内热处理20小时，期间通入氮气和氢气混合气体，流速为100mL/min，然后自然冷却至150℃以下。破碎分散后机械融合处理，转速500r/min，时间200分钟，筛分，得到锂离子动力电池硅酸锰锂Li_2.02Fe_0.5Mn_0.5SiO₄正极材料。

对实施例5制备得到的Li_2.02Fe_0.5Mn_0.5SiO₄进行测试，复合颗粒具有球形、长短轴比为5的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的微观特征，以Li_2.02Fe_0.5Mn_0.5SiO₄的碳为基体，基体外包覆碳材料微粒层的厚度在45nm，复合颗粒平均粒径为2.0μm，比表面积为25.0m²/g。

将实施例5制备得到的Li_2.02Fe_0.5Mn_0.5SiO₄正极材料用于制作模拟电池正极后，以0.25mA/cm²的充放电电流密度充放电，充放电电压为范围为1.5～4.9V，首次容量为210mAh/g，循环20周后容量保持率为100％。

对比例1，将磷酸铁锂正极材料用于制作模拟电池正极后，充放电范围为2.5～3.9V，电流为0.2C，如图4所示，首次容量为149.1mAh/g，图5所示，循环20周后容量保持率为99.5％。

在上述实施例实例1～5中，锂源化合物仅列出了氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂和硝酸锂，由于氯化锂、硫酸锂、碘化锂、叔丁醇锂、苯甲酸锂、甲酸锂、氟化锂、铬酸锂、四水柠檬酸锂、四氯铝酸锂、溴化锂、四氟硼酸锂或草酸锂与氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂和硝酸锂一样，在本发明制备方法的反应中均能提供目标化合物的锂离子，所以适用于本发明。

在上述实施例实例1～5中，过渡金属元素仅列出了硝酸猛、碳酸猛、乙酸锰和柠檬酸铁，由于钴、钴源化合物：乙酸钴、一氧化钴、四氧化三钴、三氧化二钴、硝酸钴、碳酸钴、氢氧化高钴、氢氧化钴、氯化钴、碱式碳酸钴；锰、锰源化合物：二氧化锰、环烷酸锰、氯化锰、四氧化三锰、一氧化锰、氢氧化锰；镍、镍源化合物：草酸镍、甲酸镍、碱式碳酸镍、氯化镍、氢氧化镍、氢氧化高镍、三氧化二镍、四碳合镍、碳酸镍、硝酸镍、一氧化镍、乙酸镍；铁、铁源化合物：硫化亚铁、氯化亚铁、氯化铁、氢氧化铁、乳酸亚铁、五羟基合铁、硝酸铁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化亚铁、草酸亚铁；钒、钒源化合物：五氧化二钒、一氧化钒、二氧化钒、三氧化二钒、偏钒酸铵；钛或钛源化合物：氮化钛、二硫化钛、二氧化钛、偏钛酸、羟基二乳酸合钛、三氯化钛、钛酸异丙酯、四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯。与硝酸猛、碳酸猛、乙酸锰和柠檬酸铁一样，在本发明制备方法的反应中均能提供目标化合物的过度金属元素，所以适用于本发明。

在上述实施例实例1～5中，硅源化合物仅列出了正硅酸乙酯、一氧化硅和二氯硅烷，由于苯基三氯硅烷、氮化硅、二甲基二氯硅烷、硅橡胶、二乙基二氯硅烷、二乙基氯硅烷、二氧化硅、氟硅菊酯、氟硅橡胶、氟硅酸铵、硅胶、硅烷交联聚丙烯、硅油、甲基苯基硅橡胶、甲基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基硅橡胶、聚硅氧烷、氰硅橡胶、三氯甲硅烷、三乙基氯硅烷、四氟化硅、四氯化硅、一乙基三氯硅烷、乙基二氯硅烷与正硅酸乙酯、一氧化硅和二氯硅烷一样，在本发明制备方法的反应中均能提供目标化合物的硅源，所以适用于本发明。

在上述实施例实例1～5中，碳源化合物仅列出了葡萄糖、聚乙烯醇、聚丙烯腈和煤沥青，由于呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶，纤维素、石油沥青与葡萄糖、聚乙烯醇、聚丙烯腈和煤沥青一样，在本发明制备方法的反应中均能提供目标化合物的碳源，所以适用于本发明。

Claims (8)

1.一种锂离子动力电池用硅酸盐正极材料，其特征在于：所述锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的通式为Li_nMSiO₄/C_x，以Li_nMSiO₄为基体，基体外包覆有碳材料微粒层，基体与碳材料微粒层组合成复合颗粒，其中1.9≤n≤2.1，M为过渡金属元素钴、锰、镍、铁、钒或钛，0＜x≤2，C由碳或碳源化合物分解生成；所述基体的平均粒径在0.1～30.0μm之间，碳材料微粒层的厚度在0.5～50nm之间；所述复合颗粒具有球形、长短轴比为5～30的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的微观特征，比表面积为0.2～30m²/g；

所述碳源化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶，纤维素、葡萄糖、煤沥青和石油沥青中的一种以上；

所述锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的理论比容量＞200mAh/g；

所述锂离子动力电池用硅酸盐正极材料采用以下方法制备得到，包括以下步骤：一、将锂源化合物中的锂：过渡金属元素：硅源化合物中的硅按摩尔比1.9～2.1∶1∶1混合，同时加入碳或碳源化合物，硅元素与碳或碳源化合物分解生成碳的摩尔比1∶大于0至2，形成原料混合物；二、将原料混合物分散于水、乙醇或丙酮溶剂中，固体与溶剂的质量比为1～1.5∶1，转速100～500r/min，研磨分散2～20小时，形成前驱体浆料；三、将前驱体浆料置入储罐静置0.5～4h，再通过超细磨，转速500～2000r/min，时间1～4h，进入另一个储罐静置0.5～2h，干燥机干燥处理，然后在100～200℃条件下气相干燥，得到分散粉体；四、将分散粉体以1～15℃/min的升温速度，在600～900℃的温度范围内热处理4～40小时，然后自然冷却至150℃以下；五、机械融合处理，转速500～800r/min，时间15～300分钟，得到锂离子动力电池硅酸盐正极材料。

2.一种锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的制备方法，包括以下步骤：一、将锂源化合物中的锂：过渡金属元素：硅源化合物中的硅按摩尔比1.9～2.1∶1∶1混合，同时加入碳或碳源化合物，硅元素与碳或碳源化合物分解生成碳的摩尔比1∶大于0至2，形成原料混合物；二、将原料混合物分散于水、乙醇或丙酮溶剂中，固体与溶剂的质量比为1～1.5∶1，转速100～500r/min，研磨分散2～20小时，形成前驱体浆料；三、将前驱体浆料置入储罐静置0.5～4h，再通过超细磨，转速500～2000r/min，时间1～4h，进入另一个储罐静置0.5～2h，干燥机干燥处理，然后在100～200℃条件下气相干燥，得到分散粉体；四、将分散粉体以1～15℃/min的升温速度，在600～900℃的温度范围内热处理4～40小时，然后自然冷却至150℃以下；五、机械融合处理，转速500～800r/min，时间15～300分钟，得到锂离子动力电池硅酸盐正极材料。

3.根据权利要求2所述的锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的制备方法，其特征在于：将冷却后的材料破碎、分散。

4.根据权利要求3所述的锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的制备方法，其特征在于：所述融合处理后进行筛分，得到平均粒度在0.1～30μm之间的锂离子动力电池硅酸盐正极材料。

5.根据权利要求4所述的锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的制备方法，其特征在于：所述锂源化合物采用氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、碘化锂、叔丁醇锂、苯甲酸锂、甲酸锂、氟化锂、铬酸锂、四水柠檬酸锂、四氯铝酸锂、溴化锂、四氟硼酸锂、草酸锂中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；所述过渡金属元素采用钴、钴源化合物、锰、锰源化合物、镍、镍源化合物、铁、铁源化合物、钒、钒源化合物、钛或钛源化合物；钴源化合物采用乙酸钴、一氧化钴、四氧化三钴、三氧化二钴、硝酸钴、碳酸钴、氢氧化高钴、氢氧化钴、氯化钴、碱式碳酸钴中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；锰源化合物采用二氧化锰、环烷酸锰、氯化锰、四氧化三锰、碳酸锰、硝酸锰、一氧化锰、乙酸锰、氢氧化锰中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；镍源化合物为草酸镍、甲酸镍、碱式碳酸镍、氯化镍、氢氧化镍、氢氧化高镍、三氧化二镍、四碳合镍、碳酸镍、硝酸镍、一氧化镍、乙酸镍中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；铁源化合物为硫化亚铁、氯化亚铁、氯化铁、柠檬酸铁、氢氧化铁、乳酸亚铁、五羟基合铁、硝酸铁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化亚铁、草酸亚铁中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；钒源化合物为五氧化二钒、一氧化钒、二氧化钒、三氧化二钒、偏钒酸铵中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；钛源化合物为氮化钛、二硫化钛、二氧化钛、偏钛酸、羟基二乳酸合钛、三氯化钛、钛酸异丙酯、四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；所述硅源化合物为苯基三氯硅烷、氮化硅、二甲基二氯硅烷、二乙基二氯硅烷、二氯硅烷、二乙基氯硅烷、二氧化硅、氟硅菊酯、氟硅橡胶、氟硅酸铵、硅胶、硅烷交联聚丙烯、硅油、正硅酸乙酯、甲基苯基硅橡胶、甲基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基硅橡胶、聚硅氧烷、氰硅橡胶、三氯甲硅烷、三乙基氯硅烷、四氟化硅、四氯化硅、一氧化硅、一乙基三氯硅烷、乙基二氯硅烷中的一种或两种以上任意摩尔比混合物；所述碳源化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶，纤维素、葡萄糖、煤沥青、石油沥青中的一种或两种以上任意摩尔比混合物。

6.根据权利要求5所述的锂离子动力电池用硅酸盐正极材料的制备方法，其特征在于：所述将分散粉体在600～900℃的温度范围内热处理4～40小时，期间通入氮气、氩气、一氧化碳、氢气、天然气的一种或两种以上任意比例混合气体，流速为20～1000mL/min之间。

7.一种锂离子动力电池，具有正极，正极由正极材料、导电剂、粘结剂，以溶剂混合均匀后涂于金属箔上，干燥、辗压并冲切成片，其特征在于：所述正极材料的通式为Li_nMSiO₄/C_x，以Li_nMSiO₄为基体，基体外包覆有碳材料微粒层，基体与碳材料微粒层组合成复合颗粒，其中1.9≤n≤2.1，M为过渡金属元素钴、锰、镍、铁、钒或钛，0＜x≤2，C由碳或碳源化合物分解生成；所述基体的平均粒径在0.1～30.0μm之间，碳材料微粒层的厚度在0.5～50nm之间；所述复合颗粒具有球形、长短轴比为5～30的近似球形、菱形、锥形、片状、层状或块状的的微观特征，比表面积为0.2～30m²/g；

所述正极材料采用以下方法制备得到，包括以下步骤：一、将锂源化合物中的锂：过渡金属元素：硅源化合物中的硅按摩尔比1.9～2.1∶1∶1混合，同时加入碳或碳源化合物，硅元素与碳或碳源化合物分解生成碳的摩尔比1∶大于0至2，形成原料混合物；二、将原料混合物分散于水、乙醇或丙酮溶剂中，固体与溶剂的质量比为1～1.5∶1，转速100～500r/min，研磨分散2～20小时，形成前驱体浆料；三、将前驱体浆料置入储罐静置0.5～4h，再通过超细磨，转速500～2000r/min，时间1～4h，进入另一个储罐静置0.5～2h，干燥机干燥处理，然后在100～200℃条件下气相干燥，得到分散粉体；四、将分散粉体以1～15℃/min的升温速度，在600～900℃的温度范围内热处理4～40小时，然后自然冷却至150℃以下；五、机械融合处理，转速500～800r/min，时间15～300分钟，得到锂离子动力电池硅酸盐正极材料。

8.根据权利7所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述正极材料的理论比容量＞200mAh/g。

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