CN101734674A - 一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法，其技术方案是：按照初始反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸根离子的摩尔比＝(0.95～1.10)∶(0.95～1.10)∶(0.80～0.999)∶(0.001～0.286)称量锂盐、亚铁盐、硅化合物和亚磷酸盐，混合得到初始反应混合物。加入初始反应混合物的无水状态化合物重量的1％～30％的含碳化合物和无水状态化合物的体积的0.10倍～10倍的湿磨介质，球磨混合，水浴加热，再球磨混合，最后干燥。干燥的粉体置于惰性气氛或弱还原气氛中，采用两段烧结法或程序升温两段烧结法制备掺杂硅酸亚铁锂。该电极材料具有较好的放电性能，制备的样品在位于3.0V区的放电容量明显增加，在0.3C倍率电流下的循环性能佳，为产业化打下良好的基础。

Description

一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料的技术领域，涉及一种可用于锂离子电池、锂电池、聚合物锂离子电池和超级电容器的掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法。

技术背景

锂离子电池广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、便携电动工具。影响锂离子电池性能和价格比的主要因素是其正极材料。自从2000年Armand等[专利US6085015]申请了硅酸亚铁锂的制备专利，Nytén等[Nyten A，et al.，Electrochem.Commun.，2005，7(2)：156-160.]报道了硅酸亚铁锂的物相结构以来，硅酸亚铁锂的研究引起了重视。硅酸亚铁锂正极材料具有制备原料来源广泛，无毒环保，电子能带宽度较小，结构稳定等优点。当Li₂FeSiO₄提供1个电子时，理论容量是166mAh/g，放电平台为3.1V左右。硅酸亚铁锂的主要缺点是其电子电导率不高，锂离子扩散速率较慢，大多要在C/30至C/16倍率电流下进行充放电，这成为该材料实现实用化的一道屏障。目前对硅酸亚铁锂改性的方法主要包括碳包覆处理及掺杂改性等。

制备硅酸亚铁锂的方法包括固相烧结法、溶胶-凝胶法等、水热合成法等。

从固相烧结法来看，Armand等[专利US 6085015]在800℃烧结经过球磨的FeO和Li₂SiO₃混合物制备了Li₂FeSiO₄。Nyten等[Nyten A，et al.，Electrochem.Commun.，2005，7(2)：156-160.]将FeC₂O₄·2H₂O、Li₂SiO₃和碳凝胶球磨混合，在CO/CO₂的气氛中制备Li₂FeSiO₄材料。Zaghib等[Zaghib K et al.，J.PowerSources，2006，160(2)：1381-1386.]在800℃烧结FeC₂O₄·2H₂O和Li₂SiO₃的混合物制备了Li₂FeSiO₄样品。向楷雄等[向楷雄等，功能材料，2008，9(39)：1455-1457.]将CH₃COOLi、FeC₂O₄·2H₂O、Si(OC₂H₅)₄和掺碳剂的球磨混合物固相烧结制备了Li₂FeSiO₄/C复合样品。

从溶胶-凝胶法来看，Dominko等[Dominko R，Electrochem.Commun.，2006，8(2)：217-222.]将柠檬酸铁和硝酸铁混合，先在保护气氛下制备溶胶，然后，再加入氢氧化锂和二氧化硅的混合物，经过水热处理制备干凝胶，最后烧结制备产物。

由于以上方法制备的Li₂FeSiO₄在较低倍率下的放电性能仍然较差，近年试图采用掺杂方法进一步改善硅酸亚铁锂的电化学性能。Li等[Li L.M.et al.，J.Power Sources，2009]采用湿法-高温固相烧结结合的方法合成了LiFe_1-xNi_xSiO₄/C(x＝0，0.1，0.3)正极材料。杨勇等[专利CN200610005329.2]将锂盐、锰盐、亚铁盐和正硅酸酯在水-乙醇体系中混合，加热后烘干制得混合前驱体，混入糖后，在氮气气氛下烧结处理制备了Li₂Mn_xFe_1-xSiO₄/C复合材料。他们发现在Li₂Mn_xFe_1-xSiO₄/C中x值在0至0.5区间，样品的首次放电容量随着掺锰量增大而增大。龚正良采用溶胶凝胶法和水热辅助溶胶凝胶法制备了Li₂Mn_xFe_1-xSiO₄/C样品[中国博士学位论文全文数据库，2007]。

发明内容

为了改善硅酸亚铁锂的电化学性能，本发明采用亚磷酸盐制备掺杂硅酸亚铁锂，所采用的技术方案是：

(1)按照初始反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸根离子的摩尔比＝(0.95～1.10)∶(0.95～1.10)∶(0.80～0.999)∶(0.001～0.286)称量锂盐、亚铁盐、硅化合物、亚磷酸盐，混合得到初始反应混合物。

(2)依据(1)中初始反应混合物的无水状态化合物合计重量的1％～30％称量含碳化合物、初始反应混合物的无水状态化合物的合计体积的0.10倍～10倍体积量取湿磨介质；将含碳化合物、湿磨介质与(1)中初始反应混合物混合；用100rpm～1000rpm的转速球磨混合20分钟～3小时，在45℃～95℃的水浴中加热1小时～12小时，再用100rpm～1000rpm的转速球磨混合3小时～12小时；在55℃～135℃下于10Pa～10132Pa压力的真空中干燥，得到干燥的粉体。

(3)将干燥的粉体置于惰性气氛或弱还原气氛中，采用两段烧结法或程序升温两段烧结法制备掺杂硅酸亚铁锂。

所述的亚磷酸盐的化学式为AH₂PO₃、A₂HPO₃、EHPO₃、E(H₂PO₃)₂、G(H₂PO₃)₃或G(H₂PO₃)₃，或是它们其中一种的一水合物、二水合物或三水合物。分子式中A代表Na⁺、K⁺、Ag⁺或NH₄ ⁺离子；E代表Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ga²⁺、Ge²⁺、Sn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺或Zn²⁺；G代表Al³⁺、Bi³⁺、Cr³⁺或Sc³⁺。

所述的两段烧结法是在200℃～500℃温度区间的任一温度下，将干燥的粉体预烧结3小时～12小时，冷却至室温制得母体预烧料；在母体预烧料中加入以上初始反应混合物的无水状态化合物的合计体积的0.10倍～10倍体积的湿磨介质，用100rpm～1000rpm的转速球磨3小时～12小时，在55℃～135℃下于10Pa～10132Pa压力的真空中干燥，得到干燥的粉体；干燥的粉体置于惰性气氛或弱还原气氛中，在550℃～850℃温度区间的任一温度烧结3小时～24小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂。

所述的程序升温两段烧结法是按照0.5℃/min～30℃/min的加热速率将干燥的粉体由室温加热到200℃～550℃温度区间的任一温度，保温预烧结3小时～12小时，冷却至室温制得母体预烧料；在母体预烧料中加入以上初始反应混合物的无水状态化合物的合计体积的0.10倍～10倍体积的湿磨介质，用100rpm～1000rpm的转速球磨3小时～12小时，在55℃～135℃下于10Pa～10132Pa压力的真空中干燥。干燥的粉体置于惰性气氛或弱还原气氛中，按照0.5℃/min～30℃/min的加热速率由室温加热至600℃～850℃温度区间的任一温度，保温烧结3小时～24小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂。

所述的硅的化合物为正硅酸四乙酯、正硅酸四甲酯、二氧化硅、纳米二氧化硅、硅酸、偏硅酸、四(1-甲基乙基)硅酸酯、六甲基二硅氮烷、七甲基二硅氮烷或三乙基甲硅烷。

所述的锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂、醋酸锂、氯化锂、硝酸锂、硫酸锂或磷酸二氢锂，或是它们其中一种锂盐的一水合物、二水合物或三水合物。

所述的亚铁盐为草酸亚铁、醋酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、碳酸亚铁、柠檬酸亚铁、氢氧化亚铁、碱式碳酸亚铁、乙二胺四乙酸亚铁、硝酸亚铁、二氟化亚铁或氧化亚铁，或是它们其中一种亚铁盐的一水合物、二水合物、三水合物、四水合物、五水合物、六水合物或七水合物。

所述的含碳化合物为聚丙烯、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、葡萄糖、蔗糖、面粉、地瓜粉、马铃薯粉、玉米粉、芋头粉、大米粉、碳粉、米糠粉、石墨粉或乙炔黑。

所述的惰性气氛和弱还原气氛为氮气、氩气、一氧化碳、二氧化碳，或是任意体积比的氢气与氮气的混合气、氢气与氩气的混合气、一氧化碳与二氧化碳的混合气、一氧化碳与氮气的混合气、一氧化碳与氩气的混合气、二氧化碳与氮气的混合气、二氧化碳与氩气的混合气或氮气与氩气的混合气。

所述的湿磨介质为去离子水、蒸馏水、乙醇、甲醛、乙醛或丙醇，或者是体积比在1∶0.10～100范围的去离子水与蒸馏水、乙醇、丙酮、甲醛、乙醛或丙醇的混合液。

与其它发明方法相比，本发明的原料成本较低，原料来源广泛，制备过程简单。该电极材料具有较好的放电性能，制备的样品在位于2.9V区的放电容量明显增加、放电平台延长，在0.3C倍率电流下循环性能佳，为产业化打下良好的基础。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。实施例仅是对本发明的进一步补充和说明，而不是对发明的限制。

实施例1

按照反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸根离子的摩尔比＝0.95∶0.95∶0.999∶0.001称量碳酸锂(Li₂CO₃)70g、二水合草酸亚铁(FeC₂O₄·2H₂O)170g、二氧化硅(SiO₂)60g、一水合亚磷酸钠(NaH₂PO₃·H₂O)0.15g，加入2.67g聚丙烯。再加入38mL去离子水，用100转/分钟的转速球磨混合20分钟，在45℃水浴中加热1小时，再用100转/分钟的转速球磨混合3小时，在温度55℃、压力10Pa的真空条件中干燥。干燥的粉体置于氮气气氛中，在200℃下预烧结3小时，冷却至室温制得母体预烧料。在母体预烧料中加入48mL丙醇，用100转/分钟的转速球磨3小时，在温度55℃、压力20Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于氮气气氛中，在550℃下烧结3小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂。该电极材料具有较好的放电性能，放电容量高于130mAh/g，在2.9V区的放电容量明显增加，在0.3C倍率电流下循环性能佳，为产业化打下良好的基础。

实施例2

按照反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸根离子的摩尔比＝1.10∶1.10∶0.80∶0.20称量一水合氢氧化锂(LiOH·H₂O)46g、四水合醋酸亚铁((CH₃COO)₂Fe·4H₂O)270g、正硅酸四甲酯(Si(OCH₃)₄)122g、亚磷酸镁(Mg(H₂PO₃)₂)18.6g，加入3.6g蔗糖。再加入5164mL乙醇，用100转/分钟的转速球磨混合3小时，在95℃水浴中加热1小时，再用1000转/分钟的转速球磨混合3小时，在温度135℃、压力10132Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于一氧化碳气氛中，在500℃下预烧结12小时，冷却至室温制得母体预烧料。在母体预烧料中5164mL丙醇，用1000转/分钟的转速球磨12小时，在温度135℃、压力100Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于一氧化碳气氛中，在850℃下烧结24小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂。该电极材料具有较好的放电性能，放电容量高于141mAh/g，在2.9V区的放电容量明显增加，在0.3C倍率电流下循环性能佳，为产业化打下良好的基础。

实施例3

按照反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸根离子的摩尔比＝0.95∶1.10∶0.90∶0.143称量醋酸锂(CH₃COOLi)63g、七水合硫酸亚铁(FeSO₄·7H₂O)306g、六甲基二硅氮烷((CH₃)₃SiNHSi(CH₃)₃)145g、一水合亚磷酸钴(Co(H₂PO₃)₃·H₂O)45.8g，加入125g面粉，再加入3885mL去离子水与丙酮的混合液(体积比1∶100)，用500转/分钟的转速球磨混合3小时，在85℃的水浴中加热12小时，再用500转/分钟的转速球磨混合10小时，在温度125℃、压力500Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于二氧化碳气氛中，按照0.5℃/min的加热速率由室温加热到200℃，保温预烧结3小时，冷却至室温制得母体预烧料。在母体预烧料中加入78mL去离子水，用100转/分钟的转速球磨3小时，在温度55℃、压力10Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于二氧化碳气氛中，按照30℃/min的加热速率由室温加热至600℃，保温烧结3小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂。该电极材料具有较好的放电性能，放电容量高于120mAh/g，在3.0V区的放电容量明显增加，在0.3C倍率电流下循环性能佳，为产业化打下良好的基础。

实施例4

按照反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸根离子的摩尔比＝1.10∶0.95∶0.80∶0.286称量二水合硝酸锂(LiNO₃·2H₂O)96g、四水合氯化亚铁(FeCl₂·4H₂O)189g、七甲基二硅氮烷((CH₃)₃SiN(CH₃)Si(CH₃)₃)70g、三水合亚磷酸铝(Al(H₂PO₃)₃·3H₂O)51.5g，加入35g玉米粉，再加入2963mL去离子水与乙醇的混合液(体积比1∶10)，用300转/分钟的转速球磨混合1小时，在65℃的水浴中加热5小时，再用1000转/分钟的转速球磨混合8小时，在温度135℃、压力500Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于氢气与氩气的混合气(体积比1∶100)的气氛中，按照30℃/min的加热速率由室温加热到550℃，保温预烧结12小时，冷却至室温制得母体预烧料中。在母体预烧料中加入2370mL去离子水与乙醇的混合液(体积比1∶0.10)，用100转/分钟的转速球磨10小时，在温度55℃、压力10132Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于氢气与氩气的混合气(体积比1∶10)的气氛中，按照0.5℃/min的加热速率由室温加热至600℃，保温烧结10小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂。该电极材料具有较好的放电性能，放电容量高于130mAh/g，在2.9V区的放电容量明显增加，在0.3C倍率电流下循环性能佳，为产业化打下良好的基础。

实施例5

按照反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸根离子的摩尔比＝1.0∶1.0∶0.90∶0.143称量一水合氢氧化锂(LiOH·H₂O)42g、碳酸亚铁(FeCO₃)116g、正硅酸四乙酯(C₈H₁₂O₈Si)238g、二水合亚磷酸铵(NH₄H₂PO₃·2H₂O)21g，加入39g碳粉。再加入6155mL去离子水与乙醛的混合液(体积比1∶0.1)，用1000转/分钟的转速球磨混合20分钟，在80℃水浴中加热1小时，用200转/分钟的转速球磨混合5小时，在温度55℃、压力1100Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于氮气与氩气的混合气(体积比1∶10)的气氛中，按照0.5℃/min的加热速率由室温加热到300℃，保温预烧结3小时，冷却至室温制得母体预烧料。在母体预烧料中加入3078mL去离子水与乙醛的混合液(体积比1∶10)，用500转/分钟的转速球磨8小时，在温度75℃、压力100Pa的真空中干燥。干燥的粉体置于氮气与氩气的混合气(体积比1∶10)的气氛中，按照20℃/min的加热速率由室温加热至850℃，保温烧结24小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂。该电极材料具有较好的放电性能，放电容量高于120mAh/g，在2.9V区的放电容量明显增加，在0.3C倍率电流下循环性能佳，为产业化打下良好的基础。

Claims (6)

1.一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法，其特征在于制备过程由以下步骤组成：

按照反应物中锂离子∶亚铁离子∶硅原子∶亚磷酸根离子的摩尔比＝(0.95～1.10)∶(0.95～1.10)∶(0.80～0.999)∶(0.001～0.286)称量锂盐、亚铁盐、硅化合物、亚磷酸盐，混合得到初始反应混合物；加入以上初始反应混合物的无水化合物合计重量的1％～30％的含碳化合物；再加入以上初始反应混合物的无水化合物的合计体积的0.10倍～10倍体积的湿磨介质，用100rpm～1000rpm的转速球磨混合20分钟～3小时，在45℃～95℃的水浴中加热1小时～12小时，再用100rpm～1000rpm的转速球磨混合3小时～12小时，在55℃～135℃下于10Pa～10132Pa压力的真空中干燥；干燥的粉体置于惰性气氛或弱还原气氛中，采用两段烧结法或程序升温两段烧结法制备掺杂硅酸亚铁锂；

所述的亚磷酸盐的化学组成为AH₂PO₃或A₂HPO₃，或是AH₂PO₃或A₂HPO₃的一水合物、二水合物或三水合物时，A代表Na⁺、K⁺、Ag⁺或NH₄ ⁺离子；所述的亚磷酸盐的化学组成为EHPO₃或E(H₂PO₃)₂，或是EHPO₃或E(H₂PO₃)₂的一水合物、二水合物或三水合物时，E代表Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ga²⁺、Ge²⁺、Sn²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺或Zn²⁺；所述的亚磷酸盐的化学组成为G(H₂PO₃)₃，或是G(H₂PO₃)₃的一水合物、二水合物或三水合物时，G代表Al³⁺、Bi³⁺、Cr³⁺、Sc³⁺；

所述的两段烧结法是在200℃～500℃温度区间的任一温度下，将干燥的粉体预烧结3小时～12小时，冷却至室温制得母体预烧料；在母体预烧料中加入以上初始反应混合物的无水化合物的合计体积的0.10倍～10倍体积的湿磨介质，用100rpm～1000rpm的转速球磨3小时～12小时，在55℃～135℃下于10Pa～10132Pa压力的真空中干燥；干燥的粉体置于惰性气氛或弱还原气氛中，在550℃～850℃温度区间的任一温度下烧结3小时～24小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂；

所述的程序升温两段烧结法是按照0.5℃/min～30℃/min的加热速率将干燥的粉体由室温加热到200℃～550℃温度区间的任一温度，保温预烧结3小时～12小时，冷却至室温制得母体预烧料；在母体预烧料中加入以上初始反应混合物的无水化合物的合计体积的0.10倍～10倍体积的湿磨介质，用100rpm～1000rpm的转速球磨3小时～12小时，在55℃～135℃下于10Pa～10132Pa压力的真空中干燥；干燥的粉体置于惰性气氛或弱还原气氛中，按照0.5℃/min～30℃/min的加热速率由室温加热至600℃～850℃温度区间的任一温度，保温烧结3小时～24小时，制备得到掺杂硅酸亚铁锂；

所述的硅的化合物为正硅酸四乙酯、正硅酸四甲酯、二氧化硅、纳米二氧化硅、硅酸、偏硅酸、四(1-甲基乙基)硅酸酯、六甲基二硅氮烷、七甲基二硅氮烷或三乙基甲硅烷。

2.根据权利要求1所述的一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法，其特征是所述的锂盐为碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂、醋酸锂、氯化铝、硝酸锂、硫酸锂或磷酸二氢锂，或是这些锂盐的一水合物、二水合物或三水合物。

3.根据权利要求1所述的一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法，其特征是所述的亚铁盐为草酸亚铁、醋酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、碳酸亚铁、柠檬酸亚铁、氢氧化亚铁、碱式碳酸亚铁、乙二胺四乙酸亚铁、硝酸亚铁、二氟化亚铁或氧化亚铁，或是这些亚铁盐的一水合物、二水合物、三水合物、四水合物、五水合物、六水合物或七水合物。

4.根据权利要求1所述的一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法，其特征是所述的含碳化合物为聚丙烯、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、葡萄糖、蔗糖、淀粉、面粉、地瓜粉、马铃薯粉、玉米粉、芋头粉、大米粉、碳粉、米糠粉、石墨粉或乙炔黑。

5.根据权利要求1所述的一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法，其特征是所述的惰性气氛和弱还原气氛为氮气、氩气、一氧化碳、二氧化碳，或是任意体积比的氢气与氮气的混合气、氢气与氩气的混合气、一氧化碳与二氧化碳的混合气、一氧化碳与氮气的混合气、一氧化碳与氩气的混合气、二氧化碳与氮气的混合气、二氧化碳与氩气的混合气或氮气与氩气的混合气。

6.根据权利要求1所述的一种掺杂硅酸亚铁锂正极材料的制备方法，其特征是所述的湿磨介质为去离子水、蒸馏水、乙醇、甲醛、乙醛、丙醇或者是体积比在1∶0.10～100范围的去离子水与蒸馏水、乙醇、丙酮、甲醛、乙醛或丙醇的混合液。