一种碳复合型硅酸亚铁锂复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳复合型硅酸亚铁锂复合材料的制备方法，所述方法简单易操作，成本低，耗时短，使用三维结构的分层等级孔碳材料进行包覆，以介孔结构来提高活性成分容量，而且三维结构能有效提高电解液的扩散渗透，提高电子离子传输效率，有效改善了正极材料的循环和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种碳复合型硅酸亚铁锂复合材料的制备方法
本专利技术涉及锂电池
，具体涉及一种碳复合型硅酸亚铁锂复合材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池是新一代绿色高能电池，具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽等众多优点，广泛应用于电话、笔记本电脑、电动工具等，在电动汽车中也具有良好的应用前景，被人们认为是21世纪具有重要意义的高能技术产品。目前商业化的锂离子正极材料主要是以硅酸亚铁锂(LiFePO4)、三元材料(镍钴锰三元材料NCM、镍钴铝三元材料NCA)以及锰酸锂(LiMn2O4)等为主，其中锰酸锂电池循环寿命短且高温环境下循环寿命更差，而三元材料作为动力电池存在安全性问题。硅酸亚铁锂原料价格低，理论容量大，循环寿命长，是锂电池公认的最有发展前景的产品。Li2FeSiO4具有与低温Li3PO4相似的结构，属于正交晶系，其中氧原子以正四面体紧密堆积方式排列，Fe与Si各自处于氧原子四面体中心位置。硅酸亚铁锂作为锂离子电池正极材料的可逆充放电性能，这种正极材料已经引起了国内外的广泛关注。然而影响硅酸亚铁锂复合材料广泛应用的主要因素在于其电导率较差表面包覆是目前改善锂离子电池正极材料不足的有效方法之一，包覆层不仅能有效抑制电解液和正极材料间的副反应，还可以抑制材料中过渡金属的溶解等，增强材料的循环稳定性以及高倍率下的循环性能等，有效改善材料的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术提供一种碳复合型硅酸亚铁锂复合材料的制备方法，所述方法简单易操作，成本低，耗时短，使用三维结构的分层等级孔碳材料进行包覆，以介孔结构来提高活性成分容量，而且三维结构能有效提高电解液的扩散渗透，提高电子离子传输效率，有效改善了正极材料的循环和倍率性能。为了实现上述目的，本专利技术提供一种碳复合型硅酸亚铁锂复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）制备硅酸亚铁锂复合材料称取草酸锂、四水乙酸亚铁、偏铝酸铵混合球磨成粉，得到前驱体粉，所述前驱粉中锂、铁、硅、铝的摩尔比为2∶1∶(0.85-0.95)：(0.15-0.05)；对前驱体粉在还原性气氛下施以等离子电弧，使反应粉料熔融，等离子电弧电压30-50kV，等离子电弧电流600-800A；将熔融反应粉料用还原性气体喷射入冷却装置内，冷却后对颗粒粉碎筛分，筛分得到的颗粒大小为5-10微米的球型硅酸亚铁锂材料；其中所述用于喷射的喷嘴直径3-6mm；（2）制备三维花状碳材料将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:(2-4)；将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(3-5):(2-3):(2-4)；将所得固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾均匀混合于水中，然后依次加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，在固体产物一构筑的介孔结构的基础上包覆一层微孔结构，得固体产物二；然后进行抽滤、干燥、碳化，再用酸去除氧化锌模板，得具有微孔、介孔结构的三维花状碳材料；所述固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(1-2):(4-5):(9-11)；（3）复合包覆将所得三维花状碳材料与所述硅酸亚铁锂材料进行复合，复合条件为：在氮气条件下，加热至150-200℃，保温20-24h，然后进行吹扫，去除未填充入孔道的硅酸亚铁锂材料，碳复合型硅酸亚铁锂复合材料。优选的，所述步骤（2）中，水热反应温度为80-90℃，反应时间为30-50min，所述混合包覆反应的温度为25-40℃，时间为6-8h。本专利技术具备如下优点和显著效果：（1）本专利技术采用的等离子高温熔融技术，是近年来发展起来的一种新型技术，原理是：通过真空系统预置真空后，熔融腔和冷却腔中引入等离子体工作气体，在两极之间加入电压，熔融腔内的惰性气体等离子体瞬间升温，温度可以达到几千度，可以使加入送料器中的粉体迅速达到熔融状态，等离子体高速运动，颗粒之间会发生剧烈碰撞，即时生成所需要的熔融状态下的材料，通过被喷射出来的气体带出熔融腔，进入到冷却腔内，冷却后得到所需铝掺杂硅酸亚铁锂正极材料。这种方法可以使铝掺杂硅酸亚铁锂材料在瞬间形成，并可形成连续化生产。（2）本专利技术使用三维结构的分层等级孔碳材料进行包覆，以介孔结构来提高活性成分容量，而且三维结构能有效提高电解液的扩散渗透，提高电子离子传输效率，有效改善了正极材料的循环和倍率性能。具体实施方式实施例一称取草酸锂、四水乙酸亚铁、偏铝酸铵混合球磨成粉，得到前驱体粉，所述前驱粉中锂、铁、硅、铝的摩尔比为2∶1∶0.85：0.15。对前驱体粉在还原性气氛下施以等离子电弧，使反应粉料熔融，等离子电弧电压50kV，等离子电弧电流600A；将熔融反应粉料用还原性气体喷射入冷却装置内，冷却后对颗粒粉碎筛分，筛分得到的颗粒大小为5微米的球型硅酸亚铁锂材料；其中所述用于喷射的喷嘴直径3mm；所述还原性气体为氮气和氢气的混合物，其中氢气在混合气体中的体积百分比1％。将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:2；水热反应温度为80℃，反应时间为30min。将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:3:2:2；所述混合包覆反应的温度为25℃，时间为6h。将所得固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾均匀混合于水中，然后依次加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，在固体产物一构筑的介孔结构的基础上包覆一层微孔结构，得固体产物二；然后进行抽滤、干燥、碳化，再用酸去除氧化锌模板，得具有微孔、介孔结构的三维花状碳材料；所述固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:1:4:9。将所得三维花状碳材料与所述硅酸亚铁锂材料进行复合，复合条件为：在氮气条件下，加热至150℃，保温20h，然后进行吹扫，去除未填充入孔道的硅酸亚铁锂材料，碳复合型硅酸亚铁锂复合材料。实施例二称取草酸锂、四水乙酸亚铁、偏铝酸铵混合球磨成粉，得到前驱体粉，所述前驱粉中锂、铁、硅、铝的摩尔比为2∶1∶0.95：0.05。对前驱体粉在还原性气氛下施以等离子电弧，使反应粉料熔融，等离子电弧电压50kV，等离子电弧电流600A；将熔融反应粉料用还原性气体喷射入冷却装置内，冷却后对颗粒粉碎筛分，筛分得到的颗粒大小为10微米的球型硅酸亚铁锂材料；其中所述用于喷射的喷嘴直径6mm；所述还原性气体为氮气和氢气的混合物，其中氢气在混合气体中的体积百分比3％。将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:4；水热反应温度为90℃，反应时间为50min。将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳复合型硅酸亚铁锂复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）制备硅酸亚铁锂复合材料称取草酸锂、四水乙酸亚铁、偏铝酸铵混合球磨成粉，得到前驱体粉，所述前驱粉中锂、铁、硅、铝的摩尔比为2∶1∶(0.85‑0.95)：(0.15‑0.05)；对前驱体粉在还原性气氛下施以等离子电弧，使反应粉料熔融，等离子电弧电压30‑50kV，等离子电弧电流600‑800A；将熔融反应粉料用还原性气体喷射入冷却装置内，冷却后对颗粒粉碎筛分，筛分得到的颗粒大小为5‑10微米的球型硅酸亚铁锂材料；其中所述用于喷射的喷嘴直径3‑6mm；（2）制备三维花状碳材料将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:(2‑4)；将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(3‑5):(2‑3):(2‑4)；将所得固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾均匀混合于水中，然后依次加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，在固体产物一构筑的介孔结构的基础上包覆一层微孔结构，得固体产物二；然后进行抽滤、干燥、碳化，再用酸去除氧化锌模板，得具有微孔、介孔结构的三维花状碳材料；所述固体产物一、微孔造孔剂十二烷基硫酸钾、三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐的质量比为10:(1‑2):(4‑5):(9‑11)；（3）复合包覆将所得三维花状碳材料与所述硅酸亚铁锂材料进行复合，复合条件为：在氮气条件下，加热至150‑200℃，保温20‑24h，然后进行吹扫，去除未填充入孔道的硅酸亚铁锂材料，碳复合型硅酸亚铁锂复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种碳复合型硅酸亚铁锂复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）制备硅酸亚铁锂复合材料称取草酸锂、四水乙酸亚铁、偏铝酸铵混合球磨成粉，得到前驱体粉，所述前驱粉中锂、铁、硅、铝的摩尔比为2∶1∶(0.85-0.95)：(0.15-0.05)；对前驱体粉在还原性气氛下施以等离子电弧，使反应粉料熔融，等离子电弧电压30-50kV，等离子电弧电流600-800A；将熔融反应粉料用还原性气体喷射入冷却装置内，冷却后对颗粒粉碎筛分，筛分得到的颗粒大小为5-10微米的球型硅酸亚铁锂材料；其中所述用于喷射的喷嘴直径3-6mm；（2）制备三维花状碳材料将氢氧化钾和乙酸锌溶于水中进行水热反应得到花状氧化锌，氢氧化钾和乙酸锌的质量比为3:(2-4)；将花状氧化锌、介孔造孔剂混合于水中然后加入三羟甲基氨基甲烷和多巴胺盐酸盐进行混合包覆反应，随后将产物抽滤干燥，在花状氧化锌表面构筑一层介孔结构得固体产物一，所述花状氧化锌、介孔造孔剂、三羟甲基氨基...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：苏州思创源博电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32