一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及锂离子电池正极材料技术领域，尤其涉及一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
随着社会的发展，人们对于能源的需求越来越大，传统的化石能源的开采使用量也越来越大，化石能源不可再生，同时在使用过程中还会对环境产生大量的污染，发展新能源是解决这个问题的有效方法。因此，锂离子电池得到了广泛的应用。锂离子电池主要包含正极、负极、隔膜、电解液。其中正极材料的比容量直接影响着锂离子电池的能量密度。目前商业化的正极材料主要有磷酸铁锂和三元材料，三元材料虽然比容量高，但存在安全风险，磷酸铁锂具有高安全性，但是其理论比容量较低，为170mah，实际发挥150mah左右。直接影响着锂离子电池的能量密度。硅酸铁锂具有高的理论比容量，达到320mah，但是由于其离子和电子电导率较低，使得其实际发挥的比容量较低，无实际使用价值。


技术实现要素：

[0003]
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料及其制备方法，目的是提高硅酸铁锂的实际发挥比容量。
[0004]
本发明提出的一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料的制备方法，包括以下步骤：
[0005]
s1、将碳源、硅源溶于乙醇水溶液中，得到溶液a；
[0006]
s2、将锂盐、铁盐溶于去离子水中，得到溶液b；
[0007]
s3、在加热搅拌条件下将溶液b分多次滴加到溶液a中，滴加完毕后继续加热搅拌直至形成凝胶；
[0008]
s4、将凝胶烘干、研磨，得到前驱体粉末，然后在惰性气氛下煅烧，冷却后即得产物。
[0009]
优选地，所述步骤s3中，将溶液b分3～10次滴加到溶液a中，每次滴加的时间间隔为2～10min，每次的滴加量为溶液b总体积的10～40％。
[0010]
优选地，所述步骤s4中，煅烧的具体方法为：以1～5℃/min的升温速率从室温升温至300～500℃，保温120～300min，再以1～5℃/min的升温速率升温至600～800℃，保温240～360min，即可。
[0011]
优选地，所述惰性气氛为氩气、氮气、氦气中的至少一种。
[0012]
优选地，所述步骤s4中，烘干的温度为60～100℃。
[0013]
优选地，所述硅源、锂盐、铁盐的摩尔比为1:(0.5～2):(0.5～2)；所述硅源与碳源的摩尔比为1：(0.5～5)。
[0014]
优选地，所述乙醇水溶液由无水乙醇和去离子水按体积比1：(0.2～1.6)混合得到。
[0015]
优选地，所述溶液a中，碳源的浓度为0.05～0.5mol/l。
[0016]
优选地，所述溶液b中，锂盐的浓度为0.02～0.1mol/l，铁盐的浓度为0.02～0.1mol/l。
[0017]
优选地，所述碳源为酒石酸，所述硅源为正硅酸乙酯。
[0018]
优选地，所述锂盐为硝酸锂、草酸锂、甲酸锂中的至少一种，所述铁盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的至少一种。
[0019]
一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料，由上述制备方法得到。
[0020]
本发明的有益效果如下：
[0021]
本发明制备的碳包覆硅酸铁锂形貌可控，颗粒均匀，粒径小，制得的硅酸铁锂具有较高的电子和离子电导率，能发挥出较高的比容量。
附图说明
[0022]
图1为实施例1碳包覆硅酸铁锂材料的sem图；
[0023]
图2为实施例2碳包覆硅酸铁锂材料的sem图；
[0024]
图3为实施例3碳包覆硅酸铁锂材料的sem图；
[0025]
图4为实施例1碳包覆硅酸铁锂材料的xrd图；
[0026]
图5为实施例1碳包覆硅酸铁锂材料制成的扣式电池的充放电曲线图。
具体实施方式
[0027]
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
[0028]
实施例1
[0029]
一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料的制备方法，包括下述步骤：
[0030]
s1、将无水乙醇和去离子水按体积比1:1混合得到乙醇水溶液，然后将酒石酸、正硅酸乙酯溶于适量乙醇水溶液中，得到溶液a，溶液a中酒石酸的浓度为0.1mol/l，正硅酸乙酯的浓度为0.1mol/l；
[0031]
s2、将硝酸锂、硝酸铁溶于适量去离子水中，得到溶液b，溶液b中硝酸锂的浓度为0.1mol/l，硝酸铁的浓度为0.1mol/l；
[0032]
s3、在80℃加热搅拌条件下将100ml溶液b分3次滴加到100ml溶液a中，其中，第一次滴加溶液b总体积的30％，第二次滴加溶液b总体积的30％，第三次滴加溶液b总体积的40％，第一次滴加与第二次滴加的时间间隔为5min，第二次滴加与第三次滴加的时间间隔为5min，滴加完毕后继续加热搅拌直至形成凝胶；
[0033]
s4、将凝胶在60℃烘干后研磨，得到前驱体粉末，然后将前驱体粉末在氩气气氛下，于管式炉中以2℃/min的升温速率从室温升温至300℃，保温120min，再以2℃/min的升温速率升温至650℃，保温300min，自然冷却至室温后得到产物。
[0034]
实施例2
[0035]
一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料的制备方法，包括下述步骤：
[0036]
s1、将无水乙醇和去离子水按体积比7:3混合得到乙醇水溶液，然后将酒石酸、正硅酸乙酯溶于适量乙醇水溶液中，得到溶液a，溶液a中酒石酸的浓度为0.05mol/l，正硅酸乙酯的浓度为0.1mol/l；
[0037]
s2、将硝酸锂、硝酸铁溶于适量去离子水中，得到溶液b，溶液b中硝酸锂的浓度为
0.1mol/l，硝酸铁的浓度为0.1mol/l；
[0038]
s3、在60℃加热搅拌条件下将100ml溶液b分5次滴加到100ml溶液a中，其中，第一次滴加溶液b总体积的20％，第二次滴加溶液b总体积的20％，第三次滴加溶液b总体积的20％，第四次滴加溶液b总体积的20％，第五次滴加溶液b总体积的20％，第一次滴加与第二次滴加的时间间隔为5min，第二次滴加与第三次滴加的时间间隔为5min，第三次滴加与第四次滴加的时间间隔为5min，第四次滴加与第五次滴加的时间间隔为5min，滴加完毕后继续加热搅拌直至形成凝胶；
[0039]
s4、将凝胶在60℃烘干后研磨，得到前驱体粉末，然后将前驱体粉末在氩气气氛下，于管式炉中以2℃/min的升温速率从室温升温至300℃，保温120min，再以2℃/min的升温速率升温至650℃，保温300min，自然冷却至室温后得到产物。
[0040]
实施例3
[0041]
一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料的制备方法，包括下述步骤：
[0042]
s1、将无水乙醇和去离子水按体积比1:1混合得到乙醇水溶液，然后将酒石酸、正硅酸乙酯溶于适量乙醇水溶液中，得到溶液a，溶液a中酒石酸的浓度为0.3mol/l，正硅酸乙酯的浓度为0.1mol/l；
[0043]
s2、将硝酸锂、硝酸铁溶于适量去离子水中，得到溶液b，溶液b中硝酸锂的浓度为0.1mol/l，硝酸铁的浓度为0.1mol/l；
[0044]
s3、在100℃加热搅拌条件下将100ml溶液b分3次滴加到100ml溶液a中，其中，第一次滴加溶液b总体积的30％，第二次滴加溶液b总体积的30％，第三次滴加溶液b总体积的40％，第一次滴加与第二次滴加的时间间隔为5min，第二次滴加与第三次滴加的时间间隔为5min，滴加完毕后继续加热搅拌直至形成凝胶；
[0045]
s4、将凝胶在80℃烘干后研磨，得到前驱体粉末，然后将前驱体粉末在氩气气氛下，于管式炉中以1℃/min的升温速率从室温升温至300℃，保温180min，再以2℃/min的升温速率升温至700℃，保温300min，自然冷却至室温后得到产物。
[0046]
实施例4
[0047]
一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料的制备方法，包括下述步骤：
[0048]
s1、将无水乙醇和去离子水按体积比1:0.2混合得到乙醇水溶液，然后将酒石酸、正硅酸乙酯溶于适量乙醇水溶液中，得到溶液a，溶液a中酒石酸的浓度为0.05mol/l，正硅酸乙酯的浓度为0.01mol/l；
[0049]
s2、将甲酸锂、氯化铁溶于适量去离子水中，得到溶液b，溶液b中甲酸锂的浓度为0.02mol/l，氯化铁的浓度为0.02mol/l；
[0050]
s3、在70℃加热搅拌条件下将100ml溶液b分3次滴加到100ml溶液a中，其中，第一次滴加溶液b总体积的30％，第二次滴加溶液b总体积的30％，第三次滴加溶液b总体积的40％，第一次滴加与第二次滴加的时间间隔为5min，第二次滴加与第三次滴加的时间间隔为5min，滴加完毕后继续加热搅拌直至形成凝胶；
[0051]
s4、将凝胶在80℃烘干后研磨，得到前驱体粉末，然后将前驱体粉末在氩气气氛下，于管式炉中以2℃/min的升温速率从室温升温至400℃，保温300min，再以1℃/min的升温速率升温至600℃，保温360min，自然冷却至室温后得到产物。
[0052]
实施例5
[0053]
一种高比容量碳包覆硅酸铁锂材料的制备方法，包括下述步骤：
[0054]
s1、将无水乙醇和去离子水按体积比1:1.6混合得到乙醇水溶液，然后将酒石酸、正硅酸乙酯溶于适量乙醇水溶液中，得到溶液a，溶液a中酒石酸的浓度为0.5mol/l，正硅酸乙酯的浓度为0.1mol/l；
[0055]
s2、将草酸锂、硫酸铁溶于适量去离子水中，得到溶液b，溶液b中草酸锂的浓度为0.05mol/l，硫酸铁的浓度为0.05mol/l；
[0056]
s3、在60℃加热搅拌条件下将100ml溶液b分10次滴加到100ml溶液a中，其中，每次滴加溶液b总体积的10％，每次滴加的时间间隔为2min，滴加完毕后继续加热搅拌直至形成凝胶；
[0057]
s4、将凝胶在100℃烘干后研磨，得到前驱体粉末，然后将前驱体粉末在氮气气氛下，于管式炉中以5℃/min的升温速率从室温升温至500℃，保温120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃，保温240min，自然冷却至室温后得到产物。
[0058]
实施例1-3制得的碳包覆硅酸铁锂材料如图1-3所示。从图1-3中可以看出，碳均匀包覆在硅酸铁锂材料上，并且形貌可控，颗粒均匀，粒径小。
[0059]
实施例1制得的碳包覆硅酸铁锂材料的xrd测试结果如图4所示。从图4中可以看出，各峰与硅酸铁锂相对应，并存在碳的峰，说明碳包覆在了硅酸铁锂材料上。
[0060]
将实施例1制得的碳包覆硅酸铁锂材料作为正极活性物与pvdf、sp按照92:4:4的质量比打浆，涂覆在铝箔上，制备正极片，锂片作为负极片，制备成cr2025型扣式电池，在100ma/g的电流密度下测试电化学性能，测试结果如图5所示。
[0061]
由图5可以看出，电池的第二次放电比容量达到208.5mah，第三次放电比容量为204.7mah，第十次放电比容量为196.9mah，说明制得的硅酸铁锂具有较高的电子和离子电导率，能发挥出较高的比容量和良好的容量保持率。
[0062]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。