[发明专利]一种原位碳包覆硅酸锰锂正极材料的微波制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料制备技术领域，尤其涉及一种原位碳包覆硅酸锰锂正极材料的微波制备方法。

背景技术

面对日益严峻的环境污染问题和能源危机，研发绿色、高效、可持续的清洁能源已经刻不容缓。锂离子电池由于其具有体积小、质量轻、高功率、高能量密度、较好的循环性能以及无记忆效应等优点，被广泛的应用于生活中各类便携式电子设备领域。因此，开发具有高比容量、价格便宜、安全可靠的新一代锂离子电池成为电化学研究领域中的重点。

正极材料在锂离子电池充放电过程中起到了关键性的作用，目前，在Li₂FePO₄，Li₂VPO₄等磷酸根聚阴离子锂盐化合物的研究热潮带动下，硅酸根聚阴离子锂盐化合物（Li₂MSiO₄ ,M=Fe, Co, Mn, Ni等）逐步走进科研工作者的视线范围。其中Li₂MnSiO₄材料理论上能够使两个锂离子脱嵌，理论容量高达333mAh/g，此外又由于其具有原料成本低、绿色环保、安全性能好等优点，越来越受到众多研究者的青睐，被认为是非常有潜力的锂离子电池正极候选材料。2006年，R.Dominko及其研究小组采用改进溶胶凝胶法，利用传统的柠檬酸作为络合剂首次成功制备了Li₂MnSiO₄正极材料。

由于Li₂MnSiO₄正极材料本身具有电子导电率低、嵌脱锂时的体积效应大等缺点，所以往往需要进行碳修饰来提高材料的导电性和抑制材料的体积膨胀。常用的碳修饰方法主要有两种，一种是直接利用碳素材料石墨来进行碳修饰，另一种方法是利用有机物加热分解形成碳修饰，但这两种方法对Li₂MnSiO₄正极材料来说都存在着一些弊端：前者会使碳在Li₂MnSiO₄基体材料上分布不均匀，无法有效地提高材料的导电性；后者在传统的加热过程中因为由外到内的加热机制会使有机物分解时产生临时性的局部氧化性气氛，极容易将Li₂MnSiO₄正极材料中的Mn²⁺氧化，造成其他杂质相的产生，从而导致其实际放电容量低。此外，传统的加热方法不仅加热时间过长，而且加热温度较高，这样不仅降低了材料的合成效率，延长了生产周期，而且增加了能耗，使材料的生产成本偏高。

发明内容

针对目前硅酸锰锂正极材料自身的缺陷及传统加热过程中所面临的杂质相多、能耗大、周期长等缺点，本发明的目的在于提供一种原位碳包覆硅酸锰锂正极材料的微波合成方法，来克服材料自身以及传统电加热合成方法的缺点和不足。

本发明的技术方案包括以下步骤：

1）将锂源、锰源、硅源化合物及碳源添加剂加入适量分散剂中混合分散，并加入适量氨水作为催化剂，将此分散体系加热至一定温度，保温一段时间后，蒸干溶剂研磨后得粉末状前驱体；

2）将粉末状前驱体倒入燃烧舟中，将其放进石英管里，并将石英管置于微波场中，在保护气保护下微波加热至一定温度进行恒温热处理，然后降至室温，得到均匀碳包覆的硅酸锰锂电极材料。

本发明中所述的锂源、锰源、硅源化合物的摩尔比为(1.95-2.15):1:1，所述锂源化合物为氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂、氯化锂、硝酸锂、磷酸锂、草酸锂中的一种或几种混合物；所述锰源化合物为草酸锰、醋酸锰、氯化锰、磷酸锰、二氧化锰、四氧化三锰中的一种或几种混合物；所述硅源化合物为正硅酸乙酯或正硅酸甲酯中的一种或几种混合物。

本发明中所述的碳源添加剂选自炭黑、石墨等碳素材料，或蔗糖、柠檬酸、葡萄糖、聚乙烯醇、抗坏血酸、可溶性淀粉、酚醛树脂、糠醛树脂等有机碳源，或聚苯胺、聚吡咯、聚丙烯腈、聚氨酯、苯萘二元共聚物、苯蒽二元共聚物、苯菲二元共聚物等高聚物中的一种或几种。

本发明中所述的适量分散剂是由水和乙醇、甲醇、乙胺、乙二胺、乙二醇、羟基丙酸、正丁醇、正己烷等中的一种或几种混合。

本发明中所述的催化剂氨水的浓度为质量百分数10%~30%，氨水的加入量为占总体积的1~15%。

本发明中所述的分散体系加热的温度范围为50~120℃，保温的时间范围为2~10h。

本发明中所述的保护气为氮气、氩气、氦气、氢气中的一种或几种混合气体。