铁硫化物在磷酸铁锂二次电池中的应用制造技术

本发明专利技术公开了铁硫化物在磷酸铁锂二次电池中的应用，属于锂电池材料技术领域，本发明专利技术首次将多种铁硫化物作为负极活性材料，并将其组装得到磷酸铁锂二次电池。本发明专利技术提供的锂离子二次电池在反复的充放电过程中，存在稳定的电位平台，循环特性优良，可逆容量大，并且电池安全性高、制造成本低廉，有利于广泛应用。有利于广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
铁硫化物在磷酸铁锂二次电池中的应用


[0001]本专利技术涉及锂电池材料
，具体涉及到铁硫化物在磷酸铁锂二次电池中的应用。

技术介绍

[0002]面临资源的有限性以及环境日益恶化的问题，人们对于当下低效率、重污染的能源利用方式日趋不满，且对储能器件的能量密度、循环寿命、污染小等方面提出了更高的要求。锂离子电池从众多新型储能器件中脱颖而出，技术经发展也相对成熟，其应用已涉及各类小型电子设备、新能源汽车和智能电网等各个领域。
[0003]然而，由于当前实用化的正、负极活性材料仍存在能量密度、循环性能、安全性等某些方面的不足，使得锂离子电池应用仍受到限制。特别是，相对于正极活性材料的多样选择性，二次锂离子电池中的负极活性材料的甄选往往受到更多方面不足的阻碍。以常用的磷酸铁锂二次电池的负极为例：金属锂负极，它的对氢电位为
‑
3.04V、理论比容量为3860mAh g
‑1，低的负极电极电势使得电池能获取高的工作电压，同时极高的比容量能为二次电池的充放电过程中提供充足的锂源。然而，在电池的充放电过程中，负极侧的金属锂持续与电解液发生副反应，并且不断生长锂枝晶，不仅消耗锂源导致电池的循环性能不佳，甚至存在锂枝晶刺破隔膜造成内部短路的严重安全隐患。此外，使用金属锂意味着电池的成本也将受限于锂资源有限性而增加；目前商业应用最广泛的石墨负极活性材料，具备平稳而较低的嵌锂电位(0.1
‑
0.2V)，理论比容量为372mAh g
‑1，相较金属锂，反应活性弱的石墨材料，避免了充放电过程中大量锂枝晶的形成和持续的副反应，实验研究也证实石墨的确具有优异的循环性能和良好的安全性。同时石墨来源丰富，合成简单，降低了电池的制造成本。然而，石墨所能提供的容量远远小于金属锂，意味着电池低的能量密度；并且石墨在全电池的实际应用中，一方面石墨的电位与金属锂的电位太接近，容易在表面发生析锂现象，另一方面锂离子在石墨层间嵌脱时与电解液溶剂分子发生共嵌入可能造成石墨结构塌陷，这些缺陷导致石墨负极无法应用于动力电池。
[0004]鉴于上述现有的负极活性材料存在的诸多缺陷，要实现锂离子二次电池更为广泛的应用，提供一种新的兼顾高可逆容量、循环性能和安全性能的负极活性材料也就显得十分的有意义。

技术实现思路

[0005]针对上述的不足，本专利技术的目的是提供铁硫化物在磷酸铁锂二次电池中的应用，可有效解决现有负极活性材料存在的循环性能差、可逆容量小、安全性能低和制造成本高的问题。
[0006]为达上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：
[0007]本专利技术提供铁硫化物在磷酸铁锂二次电池中的应用。
[0008]本专利技术中上述的铁硫化物的化学式为Fe
x
S
y
，优选为Fe7S8、FeS或FeS2。
[0009]本专利技术还提供一种磷酸铁锂二次电池的负极活性材料，该负极活性材料为铁硫化物。
[0010]进一步地，铁硫化物的化学式为Fe
x
S
y
，优选为Fe7S8、FeS或FeS2。
[0011]本专利技术还提供一种磷酸铁锂二次电池，该磷酸铁锂二次电池包括采用上述的铁硫化物作为的负极活性材料。
[0012]本专利技术中上述作为负极活性材料的铁硫化物的部分性质如表1所示。
[0013]表1.铁硫化物性质表
[0014][0015][0016]由表1可知，上述三类铁硫化物，均具有较高的理论比容量和能量密度，实际上，它们被广泛研究应用作锂离子、钠离子二次电池的正极材料。然而，与其他正极活性材料相比，铁硫化物的对锂电位平台较低，组装全电池常受限于选用电势最低的金属锂负极活性材料搭配，也因此承受上述金属锂负极的诸多缺陷。鉴于此，我们将对锂电位平台低的铁硫化物Fe
x
S
y
，包括Fe7S8，FeS，FeS2，用作负极活性材料，同时选用对锂电位平台高的LiFePO4正极活性材料，能够在保留铁硫化物作为电极材料优势的同时，克服其用于正极侧电位平台低的缺陷。
[0017]进一步地，上述的磷酸铁锂二次电池还包括负极用电解液、隔膜、正极用电解液和正极活性材料。
[0018]本专利技术中磷酸铁锂二次电池的电池结构可采用与本领域其他的常规锂离子电池相同的电池结构，按照负极、负极用电解液、隔膜、正极用电解液、正极的顺序进行设构与组装。
[0019]进一步地，正极活性材料为LiFePO4，负极用电解液和正极用电解液均为醚类电解液。
[0020]本专利技术中的LiFePO4为橄榄石结构，理论比容量为170mAh g
‑1，对锂电位平台为3.45V，循环性能和安全性能好，广泛应用作商业化锂离子二次电池的正极活性材料。
[0021]进一步地，醚类电解液为0.5～2mol/L LiTFSI(双三氟甲磺酰亚胺锂)醚类电解液，优选为1mol/L。
[0022]进一步地，上述醚类电解液的溶剂为体积比为1～2:1～3的DOL(1,3
‑
二氧戊环)/DME(乙二醇二甲醚)的混合醚类有机溶剂，优选为体积比为1:1的DOL/DME的混合醚类有机溶剂。
[0023]本专利技术选用的醚类电解液，相较于酯类电解液，醚类电解液在充放电循环过程中形成的固态电解质界面膜(SEI)，无机组分更多，有利于降低电解液与负极界面的电荷转移活化能，使得作为半导体的铁硫化物的储锂过程动力学加快，有利于发挥铁硫化物负极活性材料的储锂能力，使得上述电池体系表现出更加优异的电化学性能。
[0024]进一步地，隔膜为PP(聚丙烯)隔膜，其厚度为15～35微米，优选为25微米。
[0025]综上所述，本专利技术具有以下优点：
[0026]1、本专利技术提供了铁硫化物在磷酸铁锂二次电池中的应用，首次提出将铁硫化物作为的负极活性材料，该负极活性材料具有循环特性优良、可逆容量大、安全性高、制造成本低廉的特点。
[0027]2、本专利技术提供了一种磷酸铁锂二次电池，该磷酸铁锂二次电池包括以铁硫化物作为的负极活性材料，以LiFePO4作为的正极活性材料，醚类电解液作为的负极用电解液和正极用电解液；本专利技术中磷酸铁锂二次电池具有电池负极侧的容量大、电池负极侧的循环性能高、电池安全性能高和环境友好的特点；同时电池的正、负极活性材料的来源广泛且制备工艺成熟，成本低廉，有利于广泛应用。
附图说明
[0028]图1为本专利技术中FeS使用醚类(C1)和酯类(D1)电解液的首周的电压
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比容量曲线图；
[0029]图2为本专利技术中Fe7S8使用醚类(C2)和酯类(D2)电解液的首周的电压
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比容量曲线图；
[0030]图3为本专利技术中FeS2使用醚类(C3)和酯类(D3)电解液的首周的电压
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比容量曲线图。
[0031]图4为本专利技术中石墨负极采用醚类(D4)电解液的首周电压
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.铁硫化物在磷酸铁锂二次电池中的应用。2.一种磷酸铁锂二次电池的负极活性材料，其特征在于，所述负极活性材料为铁硫化物，其化学式为Fe
x
S
y
。3.如权利要求2所述的磷酸铁锂二次电池的负极活性材料，其特征在于，所述铁硫化物包括Fe7S8、FeS或FeS2。4.一种磷酸铁锂二次电池，其特征在于，所述磷酸铁锂二次电池包括采用权利要求2或3所述的磷酸铁锂二次电池的负极活性材料作为负极活性材料。5.如权利要求4所述的磷酸铁锂二次电池，其特征在于，所述磷酸铁锂二次电池还包括负极用电解液、隔膜、正极用电解液和正极活性...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡川，王丽平，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：