CN111446435A - 一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池技术领域，且公开了一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，包括以下配方原料及组分：六氯环三磷腈、2,2'‑联苯酚、催化剂、促进剂、对二苯胺、纳米N掺杂Li2FeSiO4。该一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，纳米形貌的N掺杂Li2FeSiO4，氮取代了部分氧的晶格，在纳米Li2FeSiO4晶体中产生结构缺陷，为锂离子的脱出和嵌入提供了传输路径，加速了锂离子的扩散，三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4，通过高温热裂解得到N,P掺杂多孔碳包覆硅酸亚铁锂，N掺杂有利于增强碳材料的导电性能，P掺杂有利于拓宽炭层间距，形成孔隙更加丰富的多孔碳，提高了正极材料与电解液的润湿性，促进了电极反应过程中电子的传输和扩散。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体为一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料及其制法。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间往返嵌入和脱嵌移动来工作，充电时锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，放电时则相反，锂离子电池具有能量密度高，输出电压大、自放电小、循环性能优异等优点，是一种新型高效的绿色电池，锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等组成，其中正极材料占锂离子电池的比例最大，正极材料的电化学性能也直接影响锂离子电池的性能。
目前的锂离子电池正极材料主要有过渡金属氧化物如钴酸锂、镍酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂等；聚阴离子化合物如磷酸铁锂、磷酸钒锂等；金属卤化物如氟化铁、氟化钴、氯化镍等；其中聚阴离子型硅酸亚铁锂Li2FeSiO4较高的理论容量，环境友好以及成本较低，是一种非常具有发展潜力的锂离子电池正极材料，但是硫酸亚铁锂的电子导电率和锂离子扩散系数较低，不利于电子的传输和扩散，并且实际情况中分子中的两个锂离子很难实现高效率地可逆脱嵌。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料及其制法，解决硫酸亚铁锂电极材料的电子导电率和锂离子扩散系数较低，不利于电子和锂离子扩散和迁移的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分：11-15份六氯环三磷腈、12-18份2,2'-联苯酚、2-5份催化剂、2-4份促进剂、13-20份对二苯胺、38-60份纳米N掺杂Li2FeSiO4。
优选的，所述催化剂为四丁基溴化铵、促进剂为氢氧化钠。
优选的，所述纳米N掺杂Li2FeSiO4制备方法包括包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入乙醇溶剂和正硅酸乙酯，搅拌溶解后加入FeC2O4和CH3COOLi，搅拌溶解后滴加醋酸调节溶液pH至2-4，将反应瓶置于油浴锅中加热至75-95℃，匀速搅拌直至形成凝胶状，再加入尿素匀速搅拌3-6h，将凝胶状混合产物干燥除去溶剂，置于气氛电阻炉中，升温速率为2-8℃/min，升温至620-660℃，保温煅烧15-20h，煅烧产物即为纳米N掺杂Li2FeSiO4。
优选的，所述正硅酸乙酯、FeC2O4、CH3COOLi和尿素的物质的量比为1:1-1.2:2-2.4:15-25。
优选的，所述气氛电阻炉包括气泵、气泵与进气管活动连接，进气管活动连接有进气阀、进气管内上方设置有上通气管、进气管内下方设置有下通气管，进气管的外部固定连接有炉膛、进气管的中部固定连接有煅烧室、煅烧室的右侧固定连接有出气管、出气管与出气阀门活动连接，煅烧室下方固定连接有底座，煅烧室的内部下方设置有煅烧坩埚、煅烧坩埚上活动连接有调节器、调节器与微孔坩埚盖活动连接，微孔坩埚盖表面设置有通气孔。
优选的，所述碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中通入氮气排出空气，加入氯苯溶剂和38-60份纳米N掺杂Li2FeSiO4，超声分散均匀后，再加入11-15份六氯环三磷腈、12-18份2,2'-联苯酚和2-5份催化剂四丁基溴化铵，搅拌溶解后加入含有1-3份氧化钠的水溶液，在30-40℃下匀速搅拌反应4-8h，再升温至75-95℃，匀速搅拌反应6-10h，再加入13-20份对二苯胺和剩余的1份氢氧化钠，升温至120-150℃，匀速搅拌反应25-35h，将溶液冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4。
(2)将三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4置于气氛电阻炉中，升温速率为3-10℃/min，升温至620-680℃，保温煅烧2-4h，制备得到碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
该一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，通过溶胶-凝胶法，以尿素为氮源，制备得到纳米形貌的N掺杂Li2FeSiO4，氮取代了部分氧的晶格，氮的原子半径比氧大，在纳米Li2FeSiO4晶体中产生结构缺陷，为锂离子的脱出和嵌入过程提供了传输路径，从而加速了锂离子的扩散速率，增强了硅酸亚铁锂正极材料的倍率性能。
该一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，以纳米N掺杂Li2FeSiO4为生长位点，通过原位聚合法，六氯环三磷腈先与2,2'-联苯酚进行环化反应，再与对二苯胺进行缩合反应，得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4，通过高温热裂解，得到N,P掺杂多孔碳包覆硅酸亚铁锂，N掺杂有利于增强碳材料的导电性能，P掺杂有利于拓宽炭层间距，进一步形成孔隙更加丰富的多孔碳材料，大幅提高了正极材料与电解液的润湿性，纳米N掺杂Li2FeSiO4均匀生长在多孔碳的基体聚和孔隙结构中，可以暴露出更多的电化学活性位点，促进了电极反应过程中电子的传输和扩散，放电倍率为0.2C时，首次放电比容量达到216.8-236.6mA·h/g，进行100次循环，容量保持率达到80.9-84.9％，当放电倍率0.5C时，0.5仍然高达152.2-162.5mA·h/g，循环100次容量保持率有75.1-80.7％，表现出优异的倍率性能和电化学循环稳定性。
附图说明
图1是气氛电阻炉正面示意图；
图2是进气管调节示意图；
图3是煅烧坩埚放大示意图；
图4是煅烧坩埚调节示意图。
1、气泵；2、进气管；3、进气阀；4、上通气管；5、下通气管；6、炉膛；7、煅烧室；8、出气管；9、出气阀门；10、底座；11、煅烧坩埚；12、调节器；13、微孔坩埚；14、通气孔。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分：11-15份六氯环三磷腈、12-18份2,2'-联苯酚、2-5份催化剂四丁基溴化铵、2-4份促进剂氢氧化钠、13-20份对二苯胺、38-60份纳米N掺杂Li2FeSiO4。
纳米N掺杂Li2FeSiO4制备方法包括包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入乙醇溶剂和正硅酸乙酯，搅拌溶解后加入FeC2O4和CH3COOLi，搅拌溶解后滴加醋酸调节溶液pH至2-4，将反应瓶置于油浴锅中加热至75-95℃，匀速搅拌直至形成凝胶状，再加入尿素匀速搅拌3-6h，其中正硅酸乙酯、FeC2O4、CH3COOLi和尿素的物质的量比为1:1-1.2:2-2.4:15-25，将凝胶状混合产物干燥除去溶剂，置于气氛电阻炉中，气氛电阻炉包括气泵、气泵与进气管活动连接，进气管活动连接有进气阀、进气管内上方设置有上通气管、进气管内下方设置有下通气管，进气管的外部固定连接有炉膛、进气管的中部固定连接有煅烧室、煅烧室的右侧固定连接有出气管、出气管与出气阀门活动连接，煅烧室下方固定连接有底座，煅烧室的内部下方设置有煅烧坩埚、煅烧坩埚上活动连接有调节器、调节器与微孔坩埚盖活动连接，微孔坩埚盖表面设置有通气孔，升温速率为2-8℃/min，升温至620-660℃，保温煅烧15-20h，煅烧产物即为纳米N掺杂Li2FeSiO4。
碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中通入氮气排出空气，加入氯苯溶剂和38-60份纳米N掺杂Li2FeSiO4，超声分散均匀后，再加入11-15份六氯环三磷腈、12-18份2,2'-联苯酚和2-5份催化剂四丁基溴化铵，搅拌溶解后加入含有1-3份氧化钠的水溶液，在30-40℃下匀速搅拌反应4-8h，再升温至75-95℃，匀速搅拌反应6-10h，再加入13-20份对二苯胺和剩余的1份氢氧化钠，升温至120-150℃，匀速搅拌反应25-35h，将溶液冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4。
(2)将三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4置于气氛电阻炉中，升温速率为3-10℃/min，升温至620-680℃，保温煅烧2-4h，制备得到碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料。
将碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料研磨成细粉，加入N-甲基吡咯烷酮溶剂、导电剂乙炔黑和粘黏剂聚偏氟乙烯，搅拌均匀后将浆料均匀涂覆在铝箔表面并充分干燥，制备得到锂离子电池正极工作电极材料。
实施例1
(1)制备纳米N掺杂Li2FeSiO4组分1：向反应瓶中加入乙醇溶剂和正硅酸乙酯，搅拌溶解后加入FeC2O4和CH3COOLi，搅拌溶解后滴加醋酸调节溶液pH至4，将反应瓶置于油浴锅中加热至75℃，匀速搅拌直至形成凝胶状，再加入尿素匀速搅拌3h，其中正硅酸乙酯、FeC2O4、CH3COOLi和尿素的物质的量比为1:1:2:15，将凝胶状混合产物干燥除去溶剂，置于气氛电阻炉中，气氛电阻炉包括气泵、气泵与进气管活动连接，进气管活动连接有进气阀、进气管内上方设置有上通气管、进气管内下方设置有下通气管，进气管的外部固定连接有炉膛、进气管的中部固定连接有煅烧室、煅烧室的右侧固定连接有出气管、出气管与出气阀门活动连接，煅烧室下方固定连接有底座，煅烧室的内部下方设置有煅烧坩埚、煅烧坩埚上活动连接有调节器、调节器与微孔坩埚盖活动连接，微孔坩埚盖表面设置有通气孔，升温速率为2℃/min，升温至620℃，保温煅烧15h，煅烧产物即为纳米N掺杂Li2FeSiO4组分1。
(2)制备三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分1：向反应瓶中通入氮气排出空气，加入氯苯溶剂和60份纳米N掺杂Li2FeSiO4组分1，超声分散均匀后，再加入11份六氯环三磷腈、12份2,2'-联苯酚和2份催化剂四丁基溴化铵，搅拌溶解后加入含有1份氧化钠的水溶液，在30℃下匀速搅拌反应4h，再升温至75℃，匀速搅拌反应6h，再加入13份对二苯胺和剩余的1份氢氧化钠，升温至120℃，匀速搅拌反应25h，将溶液冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分1。
(3)制备碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料1：将三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4置于气氛电阻炉中，升温速率为3℃/min，升温至620℃，保温煅烧2h，制备得到碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料1，将碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料1研磨成细粉，加入N-甲基吡咯烷酮溶剂、导电剂乙炔黑和粘黏剂聚偏氟乙烯，搅拌均匀后将浆料均匀涂覆在铝箔表面并充分干燥，制备得到锂离子电池正极工作电极材料1。
实施例2
(1)制备纳米N掺杂Li2FeSiO4组分2：向反应瓶中加入乙醇溶剂和正硅酸乙酯，搅拌溶解后加入FeC2O4和CH3COOLi，搅拌溶解后滴加醋酸调节溶液pH至4，将反应瓶置于油浴锅中加热至95℃，匀速搅拌直至形成凝胶状，再加入尿素匀速搅拌3h，其中正硅酸乙酯、FeC2O4、CH3COOLi和尿素的物质的量比为1:1:2.4:15，将凝胶状混合产物干燥除去溶剂，置于气氛电阻炉中，气氛电阻炉包括气泵、气泵与进气管活动连接，进气管活动连接有进气阀、进气管内上方设置有上通气管、进气管内下方设置有下通气管，进气管的外部固定连接有炉膛、进气管的中部固定连接有煅烧室、煅烧室的右侧固定连接有出气管、出气管与出气阀门活动连接，煅烧室下方固定连接有底座，煅烧室的内部下方设置有煅烧坩埚、煅烧坩埚上活动连接有调节器、调节器与微孔坩埚盖活动连接，微孔坩埚盖表面设置有通气孔，升温速率为8℃/min，升温至620℃，保温煅烧20h，煅烧产物即为纳米N掺杂Li2FeSiO4组分2。
(2)制备三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分2：向反应瓶中通入氮气排出空气，加入氯苯溶剂和55份纳米N掺杂Li2FeSiO4组分2，超声分散均匀后，再加入12份六氯环三磷腈、13份2,2'-联苯酚和2.5份催化剂四丁基溴化铵，搅拌溶解后加入含有1.5份氧化钠的水溶液，在40℃下匀速搅拌反应8h，再升温至75℃，匀速搅拌反应610h，再加入15份对二苯胺和剩余的1份氢氧化钠，升温至120℃，匀速搅拌反应25h，将溶液冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分2。
(3)制备碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料2：将三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4置于气氛电阻炉中，升温速率为10℃/min，升温至680℃，保温煅烧2h，制备得到碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料2，将碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料2研磨成细粉，加入N-甲基吡咯烷酮溶剂、导电剂乙炔黑和粘黏剂聚偏氟乙烯，搅拌均匀后将浆料均匀涂覆在铝箔表面并充分干燥，制备得到锂离子电池正极工作电极材料2。
实施例3
(1)制备纳米N掺杂Li2FeSiO4组分3：向反应瓶中加入乙醇溶剂和正硅酸乙酯，搅拌溶解后加入FeC2O4和CH3COOLi，搅拌溶解后滴加醋酸调节溶液pH至3，将反应瓶置于油浴锅中加热至85℃，匀速搅拌直至形成凝胶状，再加入尿素匀速搅拌4h，其中正硅酸乙酯、FeC2O4、CH3COOLi和尿素的物质的量比为1:1.1:2.2:20，将凝胶状混合产物干燥除去溶剂，置于气氛电阻炉中，气氛电阻炉包括气泵、气泵与进气管活动连接，进气管活动连接有进气阀、进气管内上方设置有上通气管、进气管内下方设置有下通气管，进气管的外部固定连接有炉膛、进气管的中部固定连接有煅烧室、煅烧室的右侧固定连接有出气管、出气管与出气阀门活动连接，煅烧室下方固定连接有底座，煅烧室的内部下方设置有煅烧坩埚、煅烧坩埚上活动连接有调节器、调节器与微孔坩埚盖活动连接，微孔坩埚盖表面设置有通气孔，升温速率为5℃/min，升温至640℃，保温煅烧18h，煅烧产物即为纳米N掺杂Li2FeSiO4组分3。
(2)制备三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分3：向反应瓶中通入氮气排出空气，加入氯苯溶剂和50份纳米N掺Li2FeSiO4组分3，超声分散均匀后，再加入13份六氯环三磷腈、14份2,2'-联苯酚和3.5份催化剂四丁基溴化铵，搅拌溶解后加入含有2份氧化钠的水溶液，在35℃下匀速搅拌反应6h，再升温至85℃，匀速搅拌反应8h，再加入16.5份对二苯胺和剩余的1份氢氧化钠，升温至135℃，匀速搅拌反应30h，将溶液冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分3。
(3)制备碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料3：将三维多孔聚合物包覆纳米N掺Li2FeSiO4置于气氛电阻炉中，升温速率为6℃/min，升温至650℃，保温煅烧3h，制备得到碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料3，将碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料3研磨成细粉，加入N-甲基吡咯烷酮溶剂、导电剂乙炔黑和粘黏剂聚偏氟乙烯，搅拌均匀后将浆料均匀涂覆在铝箔表面并充分干燥，制备得到锂离子电池正极工作电极材料3。
实施例4
(1)制备纳米N掺杂Li2FeSiO4组分4：向反应瓶中加入乙醇溶剂和正硅酸乙酯，搅拌溶解后加入FeC2O4和CH3COOLi，搅拌溶解后滴加醋酸调节溶液pH至4，将反应瓶置于油浴锅中加热至95℃，匀速搅拌直至形成凝胶状，再加入尿素匀速搅拌3h，其中正硅酸乙酯、FeC2O4、CH3COOLi和尿素的物质的量比为1:1:2.4:15，将凝胶状混合产物干燥除去溶剂，置于气氛电阻炉中，气氛电阻炉包括气泵、气泵与进气管活动连接，进气管活动连接有进气阀、进气管内上方设置有上通气管、进气管内下方设置有下通气管，进气管的外部固定连接有炉膛、进气管的中部固定连接有煅烧室、煅烧室的右侧固定连接有出气管、出气管与出气阀门活动连接，煅烧室下方固定连接有底座，煅烧室的内部下方设置有煅烧坩埚、煅烧坩埚上活动连接有调节器、调节器与微孔坩埚盖活动连接，微孔坩埚盖表面设置有通气孔，升温速率为2℃/min，升温至660℃，保温煅烧20h，煅烧产物即为纳米N掺杂Li2FeSiO4组分4。
(2)制备三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分4：向反应瓶中通入氮气排出空气，加入氯苯溶剂和43份纳米N掺杂Li2FeSiO4组分4，超声分散均匀后，再加入14份六氯环三磷腈、16.5份2,2'-联苯酚和4.5份催化剂四丁基溴化铵，搅拌溶解后加入含有2.5份氧化钠的水溶液，在30℃下匀速搅拌反应4h，再升温至95℃，匀速搅拌反应10h，再加入18.5份对二苯胺和剩余的4份氢氧化钠，升温至150℃，匀速搅拌反应35h，将溶液冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分4。
(3)制备碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料4：将三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4置于气氛电阻炉中，升温速率为8℃/min，升温至650℃，保温煅烧3h，制备得到碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料4，将碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料4研磨成细粉，加入N-甲基吡咯烷酮溶剂、导电剂乙炔黑和粘黏剂聚偏氟乙烯，搅拌均匀后将浆料均匀涂覆在铝箔表面并充分干燥，制备得到锂离子电池正极工作电极材料4。
实施例5
(1)制备纳米N掺杂Li2FeSiO4组分5：向反应瓶中加入乙醇溶剂和正硅酸乙酯，搅拌溶解后加入FeC2O4和CH3COOLi，搅拌溶解后滴加醋酸调节溶液pH至2，将反应瓶置于油浴锅中加热至95℃，匀速搅拌直至形成凝胶状，再加入尿素匀速搅拌6h，其中正硅酸乙酯、FeC2O4、CH3COOLi和尿素的物质的量比为1:1.2:2.4:25，将凝胶状混合产物干燥除去溶剂，置于气氛电阻炉中，气氛电阻炉包括气泵、气泵与进气管活动连接，进气管活动连接有进气阀、进气管内上方设置有上通气管、进气管内下方设置有下通气管，进气管的外部固定连接有炉膛、进气管的中部固定连接有煅烧室、煅烧室的右侧固定连接有出气管、出气管与出气阀门活动连接，煅烧室下方固定连接有底座，煅烧室的内部下方设置有煅烧坩埚、煅烧坩埚上活动连接有调节器、调节器与微孔坩埚盖活动连接，微孔坩埚盖表面设置有通气孔，升温速率为8℃/min，升温至660℃，保温煅烧20h，煅烧产物即为纳米N掺杂Li2FeSiO4组分5。
(2)制备三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分5：向反应瓶中通入氮气排出空气，加入氯苯溶剂和38份纳米N掺杂Li2FeSiO4组分5，超声分散均匀后，再加入15份六氯环三磷腈、18份2,2'-联苯酚和5份催化剂四丁基溴化铵，搅拌溶解后加入含有3份氧化钠的水溶液，在40℃下匀速搅拌反应8h，再升温至95℃，匀速搅拌反应10h，再加入20份对二苯胺和剩余的1份氢氧化钠，升温至150℃，匀速搅拌反应35h，将溶液冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4组分5。
(3)制备碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料5：将三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4置于气氛电阻炉中，升温速率为10℃/min，升温至680℃，保温煅烧4h，制备得到碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料5，将碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料5研磨成细粉，加入N-甲基吡咯烷酮溶剂、导电剂乙炔黑和粘黏剂聚偏氟乙烯，搅拌均匀后将浆料均匀涂覆在铝箔表面并充分干燥，制备得到锂离子电池正极工作电极材料5。
使用Autolab 302N型电化学工作站，采用循环伏安法和恒电流充放电法测试实施例1-5中的锂离子电池正极工作电极材料的电化学性能。
综上所述，该一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，通过溶胶-凝胶法，以尿素为氮源，制备得到纳米形貌的N掺杂Li2FeSiO4，氮取代了部分氧的晶格，氮的原子半径比氧大，在纳米Li2FeSiO4晶体中产生结构缺陷，为锂离子的脱出和嵌入过程提供了传输路径，从而加速了锂离子的扩散速率，增强了硅酸亚铁锂正极材料的倍率性能。
以纳米N掺杂Li2FeSiO4为生长位点，通过原位聚合法，六氯环三磷腈先与2,2'-联苯酚进行环化反应，再与对二苯胺进行缩合反应，得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4，通过高温热裂解，得到N,P掺杂多孔碳包覆硅酸亚铁锂，N掺杂有利于增强碳材料的导电性能，P掺杂有利于拓宽炭层间距，进一步形成孔隙更加丰富的多孔碳材料，大幅提高了正极材料与电解液的润湿性，纳米N掺杂Li2FeSiO4均匀生长在多孔碳的基体聚和孔隙结构中，可以暴露出更多的电化学活性位点，促进了电极反应过程中电子的传输和扩散，放电倍率为0.2C时，首次放电比容量达到216.8-236.6mA·h/g，进行100次循环，容量保持率达到80.9-84.9％，当放电倍率0.5C时，0.5仍然高达152.2-162.5mA·h/g，循环100次容量保持率有75.1-80.7％，表现出优异的倍率性能和电化学循环稳定性。
Claims (6)
1.一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分，其特征在于：11-15份六氯环三磷腈、12-18份2,2'-联苯酚、2-5份催化剂、2-4份促进剂、13-20份对二苯胺、38-60份纳米N掺杂Li2FeSiO4。
2.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，其特征在于：所述催化剂为四丁基溴化铵、促进剂为氢氧化钠。
3.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，其特征在于：所述纳米N掺杂Li2FeSiO4制备方法包括包括以下步骤：
(1)向乙醇溶剂中加入正硅酸乙酯、FeC2O4和CH3COOLi，滴加醋酸调节溶液pH至2-4，加热至75-95℃，搅拌直至形成凝胶状，再加入尿素搅拌3-6h，将凝胶状混合产物干燥除去溶剂，置于气氛电阻炉中，升温速率为2-8℃/min，升温至620-660℃，保温煅烧15-20h，煅烧产物即为纳米N掺杂Li2FeSiO4。
4.根据权利要求3所述的一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，其特征在于：所述正硅酸乙酯、FeC2O4、CH3COOLi和尿素的物质的量比为1:1-1.2:2-2.4:15-25。
5.根据权利要求3所述的一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，其特征在于：所述气氛电阻炉包括气泵、气泵与进气管活动连接，进气管活动连接有进气阀、进气管内上方设置有上通气管、进气管内下方设置有下通气管，进气管的外部固定连接有炉膛、进气管的中部固定连接有煅烧室、煅烧室的右侧固定连接有出气管、出气管与出气阀门活动连接，煅烧室下方固定连接有底座，煅烧室的内部下方设置有煅烧坩埚、煅烧坩埚上活动连接有调节器、调节器与微孔坩埚盖活动连接，微孔坩埚盖表面设置有通气孔。
6.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料，其特征在于：所述碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料制备方法包括以下步骤：
(1)向氯苯溶剂加入38-60份纳米N掺杂Li2FeSiO4，超声分散均匀后，再加入11-15份六氯环三磷腈、12-18份2,2'-联苯酚、2-5份催化剂四丁基溴化铵和含有1-3份氧化钠的水溶液，在30-40℃下反应4-8h，再升温至75-95℃，反应6-10h，再加入13-20份对二苯胺和剩余的1份氢氧化钠，升温至120-150℃，反应25-35h，除去溶剂，洗涤并干燥，制备得到三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4；
(2)将三维多孔聚合物包覆纳米N掺杂Li2FeSiO4置于气氛电阻炉中，升温速率为3-10℃/min，升温至620-680℃，保温煅烧2-4h，制备得到碳包覆硅酸亚铁锂的锂离子电池正极材料。
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