[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法，属于锂离子电池领域。

背景技术

锂离子电池是目前商业化二次电池中能量密度最高的化学电源，已广泛应用于各种便携式移动电子设备、规模储能、电动汽车、智能电网大型储能电站等领域应用日益广泛。

商业化锂离子电池普遍采用的正极材料是LiCoO₂，然而LiCoO₂价格昂贵，且Co为重金属，毒性较大，安全性差，极大限制了这种电池在电动车和规模储能领域的应用。

硅酸盐系列材料Li₂MSiO₄(M=Fe、Co、Mn)由于结构特征具有非常优良的安全性和热稳定性。其中Li₂MnSiO₄近年来受到了人们高度关注,郑硅酸盐材料理论上允许可逆的脱嵌两个锂离子（M²⁺→M⁴⁺氧化还原对），使得Li₂MnSiO₄的理论容量可以达到333mWh/g，且硅酸盐正交结构在热力学上相对其他正极材料更为稳定，因而具有较高的安全性。但是Li₂MnSiO₄材料存在循环性能差的缺点，循环性能差可能是由于Mn³⁺的Jahn-Teller效应引起的体积效应导致材料结构破坏，这可能是Li₂MnSiO₄材料容量衰减的主要原因。总之，Li₂MnSiO₄材料具有高的可逆容量，其主要缺点是高电压范围内充放电时，循环性能不稳定，究其原因，考虑到两个因素，一是由于正硅酸盐材料导电性很差，充放电过程中，极化现象很严重；二是正硅酸盐材料充电截止电压达到了4.8v，目前电解液还不能很好的适应高压，电解液在高电压条件下，会发生分解，造成电化学性能的恶化。

由于正硅酸盐材料本征电子导电率非常低，这导致纯相的正硅酸盐电化学性能非常差，限制着该材料的应用。目前针对正硅酸盐材料的改性研究较多，其中之一为对Li₂MnSiO₄进行离子掺杂。已用于掺杂的离子包含：Zn²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Fe²⁺和Cr²⁺等。这些掺杂都在一定程度上提高了Li₂MnSiO₄材料的电化学性能，但提升的幅度有限。例如，Zn²⁺，Fe²⁺，Al³⁺和Mg²⁺掺杂能将放电比容量提升到120 mAh/g。Cr²⁺掺杂虽能将放电比容量提升到200 mAh/g，但循环稳定性依然不理想，50次循环后容量即衰减40%。此外，研究证明，碳复合也是一种提升Li₂MnSiO₄电化学性能的有效方式。

发明内容

本发明的目的之一为了解决上述的硅酸锰锂正极材料电导率低、电化学性能差问题而提供的一种具有较好电化学性能的锂离子电池正极材料，即在含碳Li₂MnSiO₄材料晶格中掺杂Mo元素，形成分子式为Li₂Mn_1-xMo_xSiO₄/C的含碳的钼掺杂硅酸锰锂，其中x为0.03-0.1，该锂离子电池正极材料在0.1C下进行充放电，充放电电压范围为1.5-4.8V，最大放电容量达到199.7mAh/g。且具有良好的循环稳定性。

本发明的目的之二是提供了上述的一种锂离子电池正极材料的制备方法。

本发明的技术原理

利用金属离子掺杂或制备碳包覆的硅酸锰锂材料是解决锂离子电池正极材料Li₂MnSiO₄导电性欠佳的简单有效方法。本发明提供一种溶胶凝胶方法制备纳米颗粒的硅酸锰锂材料，同时在材料中掺杂金属Mo离子及碳材料。所获的碳包覆的钼掺杂的硅酸锰锂材料，相比碳包覆的未掺杂钼的硅酸锰锂材料具有更好的倍率性能和循环稳定性。

本发明的技术方案