[发明专利]一种错位硅酸铁锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涉及锂离子电池领域，尤其涉及用于锂离子电池的高性能硅酸铁锂正极材料。

背景技术

随着人们对高能量锂离子电池需求的日益增加，寻找高能量密度的电池正极材料成为世界各国研究者的工作重点。近年来聚阴离子结构的硅酸盐材料如Li₂FeSiO₄、Li₂MnSiO₄由于其较高的能量密度而备受关注。这些硅酸盐材料其理论上可以脱嵌两个锂离子，比容量高达330mAhg^-1，是目前商业化正极材料的2倍。由于Li₂MnSiO₄在循环过程中结构逐渐无定形化而丧失大部分电化学特征，因此，Li₂FeSiO₄是硅酸盐正极中最有应用前景的材料。

尽管Li₂FeSiO₄具有双电子反应的理论容量，然而大多数情况下研究者都只获得单电子反应的容量，这主要是由于Li₂FeSiO₄材料充放电的动力学极化严重，同时Fe³⁺/Fe⁴⁺电对的电位偏高，超出目前常规有机电解液的稳定电化学窗口。为了提高Li₂FeSiO₄材料的实际容量，研究者们设计了多种改进方案。中国专利(申请号：201510061167.3，一种高倍率硅酸铁锂正极材料的制备方法)公布了制备纳米多孔硅酸铁锂的办法；中国专利(201410136971.9，类石墨烯掺杂锂离子电池硅酸铁锂复合正极材料制备方法)公布了石墨烯包覆硅酸铁锂的办法；中国专利(201210207841.0，一种钒掺杂硅酸铁锂正极材料及其制备方法)公布了钒掺杂硅酸铁锂的制备办法。以上方案都可以有效地改善电子和离子的动力学传输性能，从而提高正极材料的实际充放电容量。不过，由于锂电池阴极材料是一种电子和离子的混合导体，材料的电子得失总是伴随着锂离子的嵌脱。在常规Li₂FeSiO₄中，可脱嵌的锂离子有2个，而由于电压的限制，参与反应的电子数却只有1个。也就是说，Li₂FeSiO₄可反应的锂离子和电子数目在充放电过程中是不匹配的。可见以上方案对限制容量的电压问题却几乎无能为力。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有匹配的反应电子数和离子数、提高材料的实际可逆容量的错位硅酸铁锂及其制备方法。

本发明的错位硅酸铁锂，含有Li/Fe错位结构，并具有一般聚阴离子硅酸盐晶格结构以及Li_2-2xFe_1+xSiO₄限定式，其中x的范围为0<x≤0.5。

进一步的，所述一般聚阴离子硅酸盐晶格结构在引入所述Li/Fe错位结构后保持不变。

进一步的，含有所述Li/Fe错位结构的一般聚阴离子硅酸盐晶格结构为电荷中性。

进一步的，所述硅酸铁锂通过将含有锂源、铁源和硅源的化合物按比例混合均匀，然后在惰性气氛下进行锻烧得到。

借由上述方案，与现有硅酸铁锂材料相比，本发明至少具有以下优点：

(1)通过在本发明的硅酸铁锂材料晶格中引入Li/Fe阳离子的错位，来更好地匹配可反应的离子和电子数，从而将部分高电压区间的储锂容量转移到低电压区间来，提高材料的实际可逆容量；

(2)当Li/Fe阳离子的错位量为0.333，锂离子与电子转移反应的数目达到完全均衡，此时单电子反应的容量为203mAhg^–1，比Li₂FeSiO₄的单电子容量高出23％；

(3)错位结构的材料比正常结构材料具有更低的离子迁移活化能，同时，错位可以避免电极材料在充放电过程中的结构重排，提高材料的充放电循环性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是单电子反应理论容量与Li/Fe错位量的关系；