[发明专利]一种高能量密度铁基锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池负极材料及其制备技术领域，具体提供一种高能量密度铁基锂离子电池负极材料及其制备方法；所述所述锂离子电池负极材料的化学表达式为：α‑LiFe₅O₈，其晶相结构为尖晶石型结构。本发明首次发现铁基复合氧化物材料α‑LiFe₅O₈能够应用于锂离子电池中作负极材料，且电化学性能优异，具有高比容量和高能量密度的特性；当充放电倍率为0.1C时，该尖晶石型负极材料的首次放电比容量可以达到2918.25mAh/g。同时，本发明采用常温液相反应结合高温烧结的方法制备得到结晶品质好、尺寸均匀的单相纳米级尖晶石型α‑LiFe₅O₈；制备过程易于控制，无特殊设备需求，制备流程简单易行，且所用原料价格便宜、无毒无污染，能够满足规模化工业生产需求。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料及其制备技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，该材料具有如下化学式：α-LiFe₅O₈。

背景技术

石油、煤炭和天然气等传统不可再生的化石能源正随着现代化工业进程的不断加深而被大量消耗，由于有限的环境承载能力，化石能源已经不能再满足人们对能源日益增大的多元化需求；同时化石能源产生的CO₂、SO₂、H₂S等对环境造成了严重污染，由其引发的温室效应已成为人类所面临的重大环境问题。锂离子电池作为一种绿色环保且性能优异的二次电池，具有灵活便捷、存储能力大、可多次反复充放电、安全无污染、电压高、能量密度大、无记忆效应等优点，成为新一代电池体系中最强有力的竞争对手，是全世界科研界和产业界研究的热点，也是目前应用最为广泛的动力电池，具有无限的发展前景。

目前，商业化锂离子电池主要采用石墨等碳基负极材料，Li₄Ti₅O₁₂和Si基等材料作为负极材料仅刚刚起步，仍有大量的问题有待解决。其中，石墨型碳的理论比容量仅为372mAh g^-1，已经无法满足锂离子电池高能量密度的应用需求；此外，其较低的工作平台(～0.2V Vs Li⁺/Li)会导致循环过程中石墨表面金属锂层的沉积，锂枝晶会引发潜在的安全问题。尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂是另一种比较重要的商业化负极材料，由于其在充放电过程中体积变化仅为0.3％，所以被称为“零应变”电极材料，因而具有良好的循环稳定性，但是其理论比容量仅为172mAh g^-1，并且较高的电压工作平台(1.5vs.Li/Li⁺)不利于能量密度的提升。硅基负极材料具有低成本、高比容量的优势，其理论容量达到4200mAh g^-1，电压平台仅为0.37V附近，较高的电压平台可以减少锂枝晶的产生，安全性能比石墨型负极好；但是结合的锂过多时，体积膨胀率达到320％，体积巨变带来的应力效应导致自身颗粒的粉化，引起容量快速衰退。以上几种目前主要的商业化负极材料的应用和发展都受到了其性能的限制；因此，开发新型高比容量、高安全性、廉价的负极材料成为发展高性能动力锂离子电池的关键。

铁基复合氧化物材料，比如Fe₂O₃、Fe₃O₄和LiFeO₂都具备低成本、无毒、高比容量(～1000mAh g^-1)、安全的工作电压(～0.8V)和丰富的原材料来源等优点，从而被作为潜在的下一代锂离子电极材料广泛研究。基于此，本发明提供一种新的高能量密度铁基锂离子电池负极材料及其制备方法。

发明内容