[发明专利]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

说明书

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。