铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物及制备方法技术

本发明专利技术公开铁基聚阴离子化合物AxFe3P5SiO19，A为H、Li或Na；0＜x≤3。本发明专利技术还公开了含有上述新化合物的锂离子电池阴极材料以及该化合物的制备方法。本发明专利技术的AxFe3P5SiO19具有独特的化学性质,其铁离子可以发生氧化还原反应,同时实现H+、Li+或Na+离子能作化学嵌入以平衡充电的电荷交替。应用包括用于锂离子电池，钠离子电池和含水电池的阴极材料。此外，它还可用于选择性离子膜分离的应用，从混合阳离子的水溶液中分离出锂离子,作为锂回收的有效方法。

Iron based polyanion AxFe3P5SiO19 compound and preparation method thereof

The present invention discloses iron based polyanion compound AxFe3P5SiO19, A is H, Li or Na; 0 < x < 3. The invention also discloses a cathode material for lithium ion batteries containing the new compound and a preparation method of the compound. The AxFe3P5SiO19 of the present invention has unique chemical properties, in which iron ions can undergo redox reactions, and H +, Li + or Na + ions can be chemically intercalated to balance charge alternation. Applications include cathode materials for lithium-ion batteries, sodium ion batteries and water containing batteries. In addition, it can also be used in selective ion membrane separation applications, separating lithium ions from mixed cationic aqueous solutions, as an effective method for lithium recovery.

【技术实现步骤摘要】
铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物及制备方法
本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物、其制备方法以及在锂离子、钠离子和/或含水电池中作为阴极材料的应用。
技术介绍
目前锂离子电池技术应用广泛，从手提电子设备至汽车及无人飞机，用作主要供电系统。在实现无人车应用方面，电池较汽油驱动系统在自动燃料补充系统上能够提供更安全更可靠的条件，而锂离子电池较其他储能系统在能量密度方面提供较大优势。因此开发大容量/高功率的锂离子电池及其控制系统能进一步强化或拓展现有市场，尤其是民用及军用上可以带来新的发展契机。特斯拉是一个值得学习的成功案例,他们采用松下制造的锂离子电池成功实现其电动车储能系统在充电后能达到行驶约500公里的目标。这为人口众多的发展中国家减少对石油资源的依赖及二氧化碳排放提供可行的方案。车的电子化能改变设备运行及其维修型式，带动以电脑控制系统的发展。锂离子电池在能源危机及负荷调平方面亦能提供有效方案，通过以化学能方式储备各种再生能源。新应用将为生活带来便利，但同时也会促使现有电池技术在容量、工作电压、功率、耐久性、安全性、环保、可回收性及生产成本方面的改进。自索尼1991年成功销售第一代锂离子电池，目前锂离子电池构造主要是以石墨为阳极,碳酸酯(1MLiPF6的碳酸乙烯酯(EC):碳酸二乙酯(DEC)混合溶液,EC:DEC＝1:1)为电解质，及钴酸锂(亦称锂钴氧)为阴极。理论上钴酸锂具高比容量(280mAh/g)，然而其层状结构及Co3d/O2p电子轨道重叠限制阴极材料的实际比容量。过度充电将导致锂空缺在晶体内形成有序排列，Co-O层亦容易释放氧气分子。为了保持良好的循环性下，只有约一半的锂离子能在钴酸锂晶体结构中循环，使其实际容量只有约140mAh/g[1-4]。该材料在大规模应用上亦存在安全问题(例如波音787事件)，钴酸锂电池在全充电状态下容易放热，导致钴酸锂分解为氧化钴及氧气分子(CoO2(s)→CoO(s)+0.5O2(g))，容易造成电池短路。含钴的废电池亦对泥土及水源造成严重污染。
技术实现思路
本申请的目的是针对现有技术的不足，提供一种铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物、其制备方法以及在锂离子、钠离子和/或含水电池中作为阴极材料的应用。为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：本申请的第一面公开了铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物，A为H+、Li+或Na+；0＜x≤3。需要说明的是，本申请的铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物其晶体结构具有两种结晶不同的聚阴离子SiO4和PO4，两种结晶不同的聚阴离子SiO4和PO4均具有共边或共角的四面体XO4结构，稳定的X-O共价键能把氧原子抓紧，从而促使本申请的化合物较其他常规电池材料有更优异的耐热性及结构稳定性，进而提高电池整体的安全性能，同时，可通过调整SiO4和PO4两个离子的比例，以控制和获得材料所需的电压和导电性。本申请的第二面公开了铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物在电池阴极材料中的应用。本申请第三面公开了一种含有第一面公开的铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物的电池阴极材料。本申请第四面公开了一种含有本申请第三面公开的电池阴极材料的电池，所述电池为锂离子电池、钠离子电池或含水电池。需要说明的是，由于SiO4成本低廉，且SiO4有利于提高材料在酸性介质的稳定性。其铁离子可以发生氧化还原反应，同时实现在酸性介质中，拥有H+、Li+或Na+离子能作化学嵌入以平衡充电的电荷交替，使得材料能够在酸性环境下工作，以更好地在制备锂离子、钠离子和/或含水电池中的利用。本申请第五面公开了利用本申请第一面公开的铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物在锂离子回收中的应用。需要说明的是，本申请的铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物可用于选择性离子膜分离的应用，从混合粒子的水溶液中分理处锂离子，从而有效地进行锂回收，其回收过程为首先阴极溶解在酸中，并形成不同的阳离子(如Li+，Ni2+，Co3+，Mn4+)。因为只有锂离子能够进入结构中，并且材料在酸中稳定，因而将锂离子从不同的阳离子中分离出来。本申请第六面公开了一种利用本申请第一面公开的铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物进行锂离子分离的锂离子回收装置。本申请第七面公开了铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物的制备方法，方法包括将Fe3P5SiO19与锂离子源或钠离子源在溶剂中反应，获得NaxFe3P5SiO19或LixFe3P5SiO19；或者，将NaxFe3P5SiO19或LixFe3P5SiO19与水中的H+离子进行离子交换反应获得HxFe3P5SiO19。进一步的，方法还包括反应完成后对反应产物进行过滤，然后烘干获得AxFe3P5SiO19化合物。优选的，锂离子源为LiI、LiO2C2H3或LiO2C(CH2)nCH3(n≥0)中的至少一种，钠离子源为NaI、NaO2C2H3或NaO2C(CH2)nCH3(n≥0)中的至少一种，溶剂为乙腈。进一步的，方法还包括将Fe3P5SiO19作为阴极，与作为阳极的Na或Li金属，进行电化学反应，获得NaxFe3P5SiO19或LixFe3P5SiO19；或者，将NaxFe3P5SiO19或LixFe3P5SiO19与水中的H+离子进行离子交换反应获得HxFe3P5SiO19。由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：本专利技术提供铁基聚阴离子阴极材料Fe3P5SiO19，其晶体结构具有两种结晶不同的聚阴离子SiO4和PO4。其铁离子可以发生氧化还原反应，同时实现H+、Li+或Na+离子能作化学嵌入以平衡充电的电荷交替。其应用包括用于锂离子电池，钠离子电池和含水电池的阴极材料。此外，它还可用于选择性离子膜分离的应用，从混合阳离子的水溶液中分离出锂离子，作为锂回收的有效方法。附图说明图1为通过软件Rietveld精修分析Fe3P5SiO19的结构图；图2为Fe3P5SiO19的晶体结构图；图3为LixFe3P5SiO19和NaxFe3P5SiO19分别与水中的H+进行离子交换反应水的pH变化曲线图；图4为实施例2制备的NaxFe3P5SiO19化合物的首次充放电曲线；图5为实施例2制备的NaxFe3P5SiO19化合物的循环充放电曲线；图6为实施例4制备的LixFe3P5SiO19化合物的首次充放电曲线；图7为实施例4制备的LixFe3P5SiO19化合物的循环充放电曲线。具体实施方式金属聚阴离子阴极材料，一般通式表示为AmMn(XO4)aYb型(A＝Li,Na,K；M＝Mn,Fe,Co,Ni,Cu,V；X＝P,Si,S,B；Y＝F,Cl；a,b,m,n≥0)，在安全性及能量密度方面具相当大的吸引力。这是归因于聚阴离子(XO4)具有共边或共角的四面体XO4结构。稳定的X-O共价键能把氧原子抓紧，从而促使聚阴离子材料较其他常规电池材料有更优异的耐热性及结构稳定性，进而提高电池整体的安全性能。此外聚阴离子能通过导电效果减少M-O键的共价性，从而把工作电压提高，增加阴极材料的能量密度(E＝IV)。著名例子包括1997年德克萨斯州大学奥斯汀分校的JohnGooden本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物，A为H+、Li+或Na+；0＜x≤3。

【技术特征摘要】
1.铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物，A为H+、Li+或Na+；0＜x≤3。2.根据权利要求1所述的铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物在电池阴极材料中的应用。3.一种含有权利要求1所述的铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物的电池阴极材料。4.一种含有权利要求3所述的电池阴极材料的电池，所述电池为锂离子电池、钠离子电池或含水电池。5.权利要求1所述的化合物在锂离子回收中的应用。6.一种利用权利要求1所述的铁基聚阴离子AxFe3P5SiO19化合物进行锂离子分离的锂离子回收装置。7.权利要求1所述的化合物的制备方法，其特征在于，所述方法包括将Fe3P5SiO19与锂离子源或钠离子源在溶剂中反应，获得NaxFe3P5SiO19或LixFe3P5SiO19；或者，将NaxFe3P5SiO19或LixFe3P5SiO19...

【专利技术属性】
技术研发人员：简宏希，
申请(专利权)人：东莞中子科学中心，
类型：发明
国别省市：广东,44