CN103346300B - 一种以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以稻壳炭为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法,包括以下制备步骤:(1)稻壳初粉碎;(2)稻壳纯化;(3)稻壳在金属元素催化下热解,得到SiMO/C混合物;(4)用气流粉碎机粉碎SiMO/C混合物至D50=1-2um;(5)加锂源球磨混合(6)气体保护下烧结,得到Li2MSiO4/C。利用廉价的生物二氧化硅来制备硅酸盐正极材料,实现农业废弃物的资源化利用,生产高附加值产品;同时,采用中温热解的方法获得以稻壳炭,利用稻壳炭中的残炭作为碳源,在硅酸盐正极材料的合成过程中免加额外碳源,同步实现Li2MSiO4/C材料的原位合成。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法,尤其涉及一种以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法。
背景技术
在硅酸盐正极材料的合成文献中,硅源的选择方面各有不同。发表在[中国有色金属学报,2009,19(8):1449-1454]的论文和中国专利CN101807690A均公开以锂源、铁源和二氧化硅为原料,通过固相球磨后微波合成法合成了硅酸铁锂。中国发明专利CN101499527A以Na2SiO4为硅源,通过共沉淀法合成硅酸铁锂正极材料;论文[ElectrochemistryCommunications,2005,7(2):156-160]和[JournalofPowerSources,2006,160:1381-1386]均以Li2SiO3为硅源,以固相法合成了硅酸铁锂;论文[ElectrochemistryCommunications,2006,9(12):A542-A544]、[ElectrochemicalandSolid-StateLetters,2008,11(5):A60-A63]以及中国专利CN101764227、CN1803608A等均以正硅酸乙酯为原料,通过溶胶凝胶的方法合成硅酸铁锰锂正极材料,而在上述文献中,均以外加的葡萄糖或蔗糖为碳源,资源利用率不高。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)用稀酸回流洗涤稻壳粉0.5-5h,然后用去离子水洗涤稻壳粉至中性,再在100-150℃的烘箱中干燥3-5h;
(2)用化学分析的方法测定干燥洁净稻壳粉中SiO2含量,然后按M:Si=1:1的比例将金属元素M源和稻壳粉在球磨机中加水或酒精混合球磨2-10h,然后将混合物干燥,在温度为400-750℃,热解除去纯化后稻壳中的大部分有机物,得到SiMO/C混合物;
(3)用气流粉碎机粉碎SiMO混合物至D50=1-2um
(4)将粉碎后SiMO/C混合物与锂源以摩尔比Li:Si=2.05-2.1:1的比例在球磨机中湿法球磨0.5—20h,干燥后得到硅酸盐正极材料前驱体;
(5)将步骤(4)中前驱体在保护性气氛、500-800℃焙烧0.5-24h,得到硅酸盐/炭复合正极材料。
所述步骤(1)中所述的稀酸为硫酸、盐酸或硝酸溶液,溶质的质量分数为10—30%;所述稻壳粉为粒度在30-500目左右颗粒。
所述步骤(2)中金属元素M源为Fe、Mn、Co、Ni、V、Ti、Mg和Cu元素的金属氧化物、碳酸盐、草酸盐和醋酸盐中的一种或几种;所述热解为氮气、氩气或真空氛围保护下的热解。
所述步骤(4)中所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、氧化锂、硫酸锂、磷酸锂、硝酸锂中的一种或几种。
所述步骤(5)中保护性气氛为氮气、氩气或它们的混合气体。
本发明的优点是:
利用廉价的生物二氧化硅来制备硅酸盐正极材料,实现农业废弃物的资源化利用,生产高附加值产品;同时,本发明中金属元素的金属氧化物、碳酸盐、草酸盐和醋酸盐等除了提供金属M外,还可以在热解过程中作为催化剂,加速稻壳的热解,从而获得含有硅和金属元素M为主要成分的稻壳粉;利用稻壳粉中的残炭作为碳源,在硅酸盐正极材料的合成过程中免加额外碳源,同步实现Li2MSiO4/C材料的原位合成。
具体实施方式
实施例1:
将稻壳在100℃烘箱内烘2h,再用普通粉碎机将干燥的稻壳粉碎至100目,然后取200g装入带有回流冷凝管的1000ml圆底烧瓶中,加入600ml浓度为10%的HCl,加热回流2h,过滤,用去离子水洗涤稻壳粉至中性。将酸洗纯化后的稻壳粉在120℃烘箱内干燥3h。经岛津XRF-1800型X射线荧光光谱仪检测干燥稻壳粉中SiO2含量为15.93%,其他为少量CaO、MgO和Al2O3等杂质。采用HG/T3062-2008标准中二氧化硅含量测定方法,进一步测定了稻壳灰中二氧化硅的含量,结果表明此稻壳灰中二氧化硅含量为15.71%。以Fe:Si=1:1的计量比称取草酸亚铁和稻壳粉,用乙醇作分散剂充分研磨混合10h,待乙醇挥发后,转移至固定床中,以高纯氮气为载气,100ml/min,在固定床内以100℃/min的升温速度升温至700℃,快速热解1h后得到SiFeO/C混合物。
用气流粉碎机粉碎SiFeO/C混合物至D50=1.2um(Mastersize2000激光粒度仪检测),再以Li:Si=1:1的计量比称取碳酸锂和粉碎后SiFeO/C混合物,用乙醇作分散剂充分研磨混合10h,待乙醇挥发后,转移至瓷舟中于管式电阻炉中在氮气保护下,700℃热处理10h,自然冷却至室温,即得到Li2FeSiO4/C正极材料,经碳硫分析仪检测其C含量为3.2%。
将上述得到的Li2FeSiO4/C材料制成电池,具体步骤如下:将所得的材料分别与导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF按照质量比8:1:1混合,用NMP将此混合物调成浆料,均匀涂覆在20um铝箔上,80℃真空干燥24h,制得实验电池用正极片。以金属锂片为负极,1mol/LLiPF6EC/EMC(3:7)为电解液,隔膜为ENTEK25um隔膜,在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2016型扣式电池。在LAND电池充放电测试仪上对电池进行0.1C充放电测试,其首次放电比容量达到了126.1mAh/g,循环20次后容量保持率为97.7%。
实施例2:
用普通粉碎机将干燥的稻壳粉碎至300目,然后取200g装入带有回流冷凝管的1000ml圆底烧瓶中,加入600ml浓度为10%的HCl,加热回流2h,过滤,用去离子水洗涤稻壳至中性。将酸洗纯化后的稻壳在120℃烘箱内干燥3h。经岛津XRF-1800型X射线荧光光谱仪检测干燥稻壳粉中SiO2含量为15.93%。采用HG/T3062-2008标准中二氧化硅含量测定方法,进一步测定了稻壳灰中二氧化硅的含量,结果表明此稻壳灰中二氧化硅含量为15.71%。以Mn:Si=1:1的计量比称取碳酸锰和稻壳粉,用乙醇作分散剂充分研磨混合10h,待乙醇挥发后,转移至固定床中,以高纯氮气为载气,100ml/min,在固定床内以200℃/min的升温速度升温至475℃,快速热解1h后得到SiMnO/C混合物。
用气流粉碎机将稻壳炭粉碎至D50为1.7um(Mastersize2000激光粒度仪检测)。以Li:Mn=2.07:1的计量比称取碳酸锂和粉碎后SiMnO/C混合物,用丙酮作分散剂充分研磨混合15h。待丙酮挥发后,转移至瓷舟中于管式电阻炉中在氮气保护下,650℃热处理20h,自然冷却至室温,即得到硅酸锰锂正极材料,经碳硫分析仪检测其C含量为6.1%。
以与实施例1相同的方法测试了材料的性能,其0.1C充放电测试,首次放电比容量达到了147.3mAh/g,循环20次后容量保持率为96.1%。
实施例3:
以Mn:Fe:Si=0.5:0.5:1的计量比称取碳酸锰草酸亚铁和实施例1中纯化后稻壳粉,用乙醇作分散剂充分研磨混合10h,待乙醇挥发后,转移至固定床中,以高纯氮气为载气,100ml/min,在固定床内以100℃/min的升温速度升温至750℃,快速热解1h后得到SiMnFeO/C混合物。
用气流粉碎机将稻壳炭粉碎至D50为1.4um(Mastersize2000激光粒度仪检测)。以Li:Mn=2.07:0.5的计量比称取碳酸锂和粉碎后SiMnFeO/C混合物,用丙酮作分散剂充分研磨混合14h。待丙酮挥发后,转移至瓷舟中于管式电阻炉中在氮气保护下,700℃热处理10h,自然冷却至室温,即得到硅酸锰锂正极材料,经碳硫分析仪检测其C含量为3.7%。
以与实施例1相同的方法测试了材料的性能,其0.1C充放电测试,首次放电比容量达到了131.2mAh/g,循环20次后容量保持率为98.1%。
Claims (5)
1.一种以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)用稀酸回流洗涤稻壳粉0.5-5h,然后用去离子水洗涤稻壳粉至中性,再在100-150℃的烘箱中干燥3-5h;
(2)用化学分析的方法测定干燥洁净稻壳粉中SiO2含量,然后按M:Si=1:1的摩尔比例将金属元素M源和稻壳粉在球磨机中加水或酒精混合球磨2-10h,然后将混合物干燥,在温度为400-750℃进行热解,即得SiMO/C混合物;所述金属元素M源为Fe、Mn、Co、Ni、V、Ti、Mg和Cu元素的金属氧化物、碳酸盐、草酸盐和醋酸盐中的一种或几种;
(3)用气流粉碎机粉碎SiMO/C混合物至D50=1-2μm;
(4)将粉碎后的SiMO/C混合物与锂源以摩尔比Li:Si=2.05-2.1:1的比例在球磨机中湿法球磨0.5—20h,干燥后得到硅酸盐正极材料前驱体;
(5)将步骤(4)中前驱体在保护性气氛、500-800℃焙烧0.5-24h,得到硅酸盐/碳复合正极材料。
2.根据权利要求1所述的以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法,其特征在于所述步骤(1)中所述的稀酸为硫酸、盐酸或硝酸溶液,溶质的质量分数为10-30%。
3.根据权利要求1所述的以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法,其特征在于所述步骤(2)中所述热解为氮气、氩气或真空氛围保护下的热解。
4.根据权利要求1所述的以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法,其特征在于所述步骤(4)中所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、氧化锂、硫酸锂、磷酸锂、硝酸锂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的以稻壳粉为硅源原位合成硅酸盐/碳复合正极材料的方法,其特征在于所述步骤(5)中保护性气氛为氮气、氩气或它们的混合气体。
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