適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明是有關(guān)于一種適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法，尤其是 指一種混合鋰錳氧化物、硅鐵粉末與硫粉末，以制得一適用于鋰電池陰極材料的含硅雙相 粉材的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于消費性電子的需求與日俱增，因而帶動了智能型手機、平板電腦、筆記型電 腦、數(shù)碼相機，以及個人數(shù)碼助理等便攜式電子產(chǎn)品的改進與普及，而輕、薄、短、小，以及功 能多樣化的設(shè)計理念，也牽動著電力供應(yīng)來源朝向高工作電壓、高能量密度、寬廣的操作溫 度范圍、放電電壓平穩(wěn)與循環(huán)壽命長等特性需求的發(fā)展；鋰離子二次電池因其內(nèi)部的電化 學(xué)反應(yīng)為可逆反應(yīng)，可周期性充放電，以及重復(fù)使用等優(yōu)點，同時也因鋰離子二次電池具備 高而平穩(wěn)的工作電壓、較高的能量密度、較長的循環(huán)壽命、較低的自放電性，以及無記憶效 應(yīng)等優(yōu)點而廣受市場重視，并已躍升成為輕薄型二次電池市場中最受矚目的明星。
[0003] 鋰離子二次電池的陰極材料的選擇因素，除了要有高電容量、高電位、鋰離子進出 材料的可逆性好，以及材料與電解質(zhì)的融合度佳外，還要將經(jīng)濟效益和材料對環(huán)境的相容 性一并考慮，目前陰極材料以具備高電壓的鋰鈷氧化物（LiCoO2)、鋰鎳氧化物（LiNiO2)或 鋰錳氧化物（LiMn2O4)為主，其中LiCoO2是由日本SONY公司于1991年推出的系統(tǒng)，目前仍 為市場主流，然而LiCoO2的可逆電容量低，約為130~150mAh/g，在充電電壓高于4. 2V時， 會因鋰離子的大量遷出，造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)而崩解，使得電容量急劇下降，而且鈷的價格也較鎳 與錳來得昂貴；LiNiO2和LiCoO2同屬層狀結(jié)構(gòu)（R3m)化合物，理論電容量也相近，然而在實 際充放電的過程中，1^附02較1^(：〇02約多出20~30mAh/g左右的空間，LiNiO 2不僅價格便 宜，毒性還較低，然而其合成困難，不易得到純相的LiNiO2層狀結(jié)構(gòu)化合物，造成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 性差，進而影響電池的效能；LiMn2O4不同于LiNiO2與LiCoO 2,屬于一種尖晶石（spinel)結(jié) 構(gòu)，最大的優(yōu)勢在于錳原料的蘊藏量豐富、價格便宜，以及毒性極低；然而，缺點在于可逆 電容量較低，約為100~120mAh/g，且在高于55°C的高溫操作環(huán)境下，電容量衰退率快、電 池壽命短，此為以LiMn2O4作為鋰離子二次電池的陰極材料的缺點與技術(shù)阻礙；因此，為了 有效提升鋰離子二次電池的電容量，并且能在高溫環(huán)境下操作以減緩電容量的衰退速度與 提高電池的壽命，進而達到高電容量、高穩(wěn)定性，以及低成本的鋰離子二次電池陰極材料， 仍是現(xiàn)今鋰離子二次電池的陰極材料開發(fā)業(yè)者或研究人員需持續(xù)努力克服與解決的重要 課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明人即是鑒于上述的鋰錳氧化物使用于鋰離子二次電池的陰極材料因存在于 高溫操作環(huán)境下，電容量衰退率快、電池壽命短等諸多缺點，于是本著孜孜不倦的精神，并 借由其豐富的專業(yè)知識及多年的實踐經(jīng)驗所輔佐，而加以改善，并據(jù)此研究出本發(fā)明。
[0005] 本發(fā)明主要目的是提供一種適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法， 尤其是指一種混合鋰錳氧化物（LiMn2O4)、硅鐵（FeSi)粉末與硫粉末，以制得適用于鋰電池 陰極材料的含硅雙相粉材，借此改良鋰離子二次電池的充放電容量與循環(huán)特性、熱穩(wěn)定性， 達到提升鋰離子二次電池的電容量，并有效減緩在高溫操作環(huán)境下電容量快速衰退的缺 點。
[0006] 為了達到上述實施目的，本發(fā)明人提出一種適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末 制造方法，至少包括下列步驟：首先，步驟一：混合鋰錳氧化物粉末與硅鐵粉末，并進行煅 燒程序；然后，步驟二：將硫粉末混合上述步驟一完成后的產(chǎn)物，再進行另一煅燒程序；最 后，步驟三：研磨上述步驟二的產(chǎn)物，以獲得適用于鋰電池陰極材料且包括有LiMnFeSiO相 與 LiMnSiS 相的 LiMnFeSiSO 粉末。
[0007] 如上所述的適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末制造方法，其中步驟一的煅燒程 序是于大氣壓下以750°C的溫度熱處理12個小時。
[0008] 如上所述的適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末制造方法，其中步驟二的煅燒程 序是于真空環(huán)境下以200°C的溫度熱處理2個小時后，再于大氣壓下以700°C~870°C的溫 度熱處理6個小時。
[0009] 本發(fā)明借由如上所述的方法制備的適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末，是以 陰極材料的含娃雙相粉末所含的原子總數(shù)為l〇〇at. %，陰極材料的含娃雙相粉末包含有 0. 21at. %~2. 89at. %的硅鐵粉末、I. 35at. %~4. 58at. %的硫粉末，以及其余原子總 數(shù)百分比的鋰錳氧化物粉末；其中該含硅雙相粉末包括有LiMnFeSiO相與LiMnSiS相的 LiMnFeSiSO 的粉末。
[0010] 如上所述的適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末，其中硅鐵粉末含量最佳為 1. 95at. % 〇
[0011] 如上所述的適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末，其中硫粉末含量最佳為 3. Ilat. % 〇
[0012] 借此，本發(fā)明的適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法是借由適當比 例混合鋰錳氧化物（LiMn2O4)粉末、硅鐵（FeSi)粉末，以及硫粉末，并進行煅燒的熱處理，以 形成適用于鋰離子二次電池的陰極電極且具有含硅雙相粉末（LiMnFeSiO相與LiMnSiS相） 的粉材LiMnFeSiSO,有效達到高電容量且在高溫環(huán)境下電容量衰退較慢的鋰離子二次電池 陰極材料；此外，本發(fā)明的適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法是借由呈尖 晶石（spinel)結(jié)構(gòu)的鋰錳氧化物粉末做為鋰離子二次電池的陰極材料，因其具有錳原料 蘊藏量豐富、低毒性，以及低價格等優(yōu)點，與硅鐵粉末、硫粉末混合以制得粉材，達到改良鋰 離子二次電池的充放電容量與循環(huán)特性、熱穩(wěn)定性，有效提升鋰離子二次電池的電容量，并 減緩高溫環(huán)境下電容量的快速衰退。
[0013] 本發(fā)明的適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法與現(xiàn)有技術(shù)相較的 下，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0014] 1、本發(fā)明的銀基導(dǎo)線及其制造方法是借由適當比例混合鋰錳氧化物粉末、硅鐵粉 末，以及硫粉末，并進行煅燒的熱處理，以形成一適用于鋰離子二次電池的陰極電極且具有 含硅雙相粉末（LiMnFeSiO相與LiMnSiS相）的粉材LiMnFeSiSO,有效達到高電容量且在高 溫環(huán)境下電容量衰退較慢的鋰離子二次電池陰極材料。
[0015] 2、本發(fā)明的銀基導(dǎo)線及其制造方法是借由適當比例混合鋰錳氧化物粉末、硅鐵粉 末，以及硫粉末，并進行煅燒的熱處理，以形成一適用于鋰離子二次電池的陰極電極且具有 含硅雙相粉末（LiMnFeSiO相與LiMnSiS相）的粉材LiMnFeSiSO,有效達到高電容量且在高 溫環(huán)境下電容量衰退較慢的鋰離子二次電池陰極材料。
【附圖說明】
[0016] 圖1 :本發(fā)明適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末制造方法的步驟流程圖；
[0017] 圖2 :本發(fā)明適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法一優(yōu)選實施例的 鋰錳氧化物粉末顯微鏡照片電子圖；
[0018] 圖3 :本發(fā)明適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法一優(yōu)選實施例的 硅鐵粉末顯微鏡照片電子圖；
[0019] 圖4 :本發(fā)明適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法一優(yōu)選實施例的 硫粉末顯微鏡照片電子圖；
[0020] 圖5 :本發(fā)明適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法一優(yōu)選實施例 LiMnFeSiSO粉末顯微鏡照片電子圖；
[0021] 圖6 :本發(fā)明適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法一優(yōu)選實施例的 X-射線粉末繞射圖；
[0022] 其中，
[0023] Sl為步驟一、S2為步驟二、S3為步驟三。
【具體實施方式】
[0024] 以下通過具體實施例詳細說明本發(fā)明的實施過程和產(chǎn)生的有益效果，旨在幫助閱 讀者更好地理解本發(fā)明的實質(zhì)和特點，不作為對本案可實施范圍的限定。
[0025] 首先，請參閱圖1所示，為本發(fā)明適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末制造方法 的步驟流程圖，其制造方法主要包括有如下步驟：
[0026] 步驟一 Sl :混合鋰錳氧化物粉末與硅鐵粉末，并進行煅燒程序；在本發(fā)明一優(yōu)選 實施例中，步驟一 Sl的煅燒程序是于鋰錳氧化物粉末與硅鐵粉末混合后，在大氣壓、烘箱 溫度750°C的條件下，熱處理12個小時以完成一新產(chǎn)物；請一并參閱圖2、3所示，為本發(fā)明 適用鋰電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法一優(yōu)選實施例的鋰錳氧化物粉末顯微 鏡照片電子圖與硅鐵粉末顯微鏡照片電子圖，其中鋰錳氧化物粉末的粒徑介于1~10微 米（Pm)之間，并且由高溫固態(tài)法制得，其具體的作法是使用碳酸鋰（Li2CO3)與二氧化錳 (MnO2)作為起始的原料，經(jīng)過煅燒程序與研磨程序處理后制得，其中煅燒與研磨的工序次 數(shù)是依使用者的需求而調(diào)整，然而，由于鋰錳氧化物粉末的工序方法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員 眾所皆知的知識，且并非本發(fā)明的重點，因此，不在本發(fā)明中加以贅述；
[0027] 步驟二S2 :將一硫粉末混合步驟一 Sl完成后的產(chǎn)物，再進行一煅燒程序；在本 發(fā)明一優(yōu)選實施例中，步驟二S2的煅燒程序是先將混合后的產(chǎn)物于真空環(huán)境、烘箱溫度 200°C的條件下，熱處理2個小時后，再接著于大氣壓、烘箱溫度700°C~870°C，優(yōu)選為 700°C的條件下，熱處理6個小時以完成另一新產(chǎn)物；請一并參閱圖4所示，為本發(fā)明適用鋰 電池陰極材料的含硅雙相粉末及其制造方法一優(yōu)選實施例的硫粉末顯微鏡照片電子圖；以 及
[0028] 步驟三S3 :研磨步驟二S2的產(chǎn)物，以獲得適用于鋰電池陰極材料且包括有 LiMnFeSiO相與LiMnSiS相的LiMnFeSiSO粉末；在本發(fā)明一優(yōu)選實施例所述的鋰電池陰極 材料的含硅雙相粉末是先進行步驟二的200°C和700°C~870°C兩段煅燒程序后再進行步 驟三的研磨處理，然而在實施上，煅燒的段數(shù)與研磨的方式可依需要做調(diào)整，并不以本發(fā)明 一優(yōu)選實施例所公開的形式為限；請一并參閱圖5、6所示，為本發(fā)明適用鋰電池陰極材料 的含硅雙相粉末及其制造方法一優(yōu)選實施例的LiMnFeSiSO粉末顯微鏡照片電子圖與X-射 線粉末繞射圖，由X-射線繞射光譜