近年来,硅酸盐型聚阴离子锂离子电极材料引起了一定程度的关注。2005年,Zhong等[109]提出了一系列新的插入化合物,即 Li2MSiO4(M=Fe,Mn,Co等)。硅酸盐型聚阴离子化合物中Si—O共价键的强烈作用与磷酸盐系聚阴离子化合物中存在的P—O共价键产生的稳定晶格作用相似,但Si—O键具有更强的键合力,所以该种材料的结构十分稳定,且Si比P元素的离子半径更小,键长更短,极化更加明显,从理论上说,应比LiMPO4的离子传导率更高。Li2MSiO4类聚阴离子化合物有一个重要的特点,即理论上该类化合物含有两个氧化还原电对,比如M2+/M3+或者M3+/M4+氧化还原电对,所以可以实现两个锂离子的脱嵌。相对于只能发生一个锂离子脱嵌的橄榄石型结构体系的磷酸盐型聚阴离子化合物而言,其可以提供更高的比容量,如Li2MnSiO4的理论比容量可达到300 mAh·g-1。
其中,Li2FeSiO4是硅酸盐体系化合物的典型代表[110],受到了许多学者的关注与研究。因为Fe和Si元素来源广泛、成本低廉,且该材料具有循环性好、稳定性及安全性高等特点,所以该化合物拥有很好的发展和应用前景,Li2FeSiO4也有希望成为新一代锂离子电池正极材料。
Li2FeSiO4与Li3PO4结构类似,空间群为Pmn21,属于正交晶系。O原子以正四面体密堆积方式排列,Fe和Si分别处于 FeO4四面体和SiO4四面体的中心位置。但也有学者对Li2FeSiO4的空间结构持有不同意见。Nishimura等[111]认为Li2FeSiO4 的结构更接近单斜晶系的P21空间群,存在超晶格现象。Dominko[112]认为Li2FeSiO4 材料同时存在两相甚至三相,所以结构解析十分困难。另外,根据文献[113]报道,合成温度对材料的结构有重要影响。在不同温度下退火的Li2FeSiO4材料表现出不一样的空间结构,分别属于三种不同的空间群。Li2FeSiO4的首周充电平台在3 V左右,随后会稳定在2.7 V左右,这说明该材料在首周充、放电过程中会发生相变,形成更稳定的结构。
Li2FeSiO4可以通过高温固相法、溶胶-凝胶法、自蔓延燃烧法、微波法等来制备。以Li2FeSiO3和FeC2O4·2H2O为原材料,通过溶胶-凝胶或者溶剂热等方法可制备出晶型良好的Li2FeSiO4材料[114]。假设Li2FeSiO4中的两个锂离子可以全部脱出,则其理论比容量可达到333 mAh·g-1,但通过实验得到的实际比容量小于理论比容量,说明Li2FeSiO4只允许一个锂离子进行脱嵌。与其他聚阴离子化合物同样的是,Li2FeSiO4材料也存在一个显著缺点,即电子电导率较差,离子迁移受限,因此也需要对该材料进行改性。常见的方法就是在材料中添加导电剂以提高材料的电导率。碳材料是最常见的导电剂,成本低廉、性质稳定,以碳材料作为导电剂既可以避免硅酸盐颗粒间的团聚,拓宽锂离子传输路径,又可以提高材料整体的导电能力[115-118]。(www.daowen.com)
常见的硅酸盐型聚阴离子化合物除了Li2FeSiO4之外,还有Li2MnSiO4,Li2NiSiO4和Li2CoSiO4等。Li2MnSiO4也属于正交晶系,空间群为Pmn21,但是该材料可逆容量较高,循环性能差,容量衰减较为严重。
此外,还有一种新型的聚阴离子化合物——硼酸盐系化合物。硼酸盐的化学通式为LiMBO3(M=Fe,Co,Mn),它的理论比容量为220 mAh·g-1。其中三维的MBO3骨架由双锥型的MO5(M=Fe)和三角形的BO3平面构成。Li+占据两个共边的四面体位置。LiMnBO3材料具有两种不同的晶体结构,分别为六方相和单斜相。其中六方相的LiMnBO3虽然具有较高的工作电压,但实际放电比容量仅为75 mAh·g-1。同样,LiFeBO3的实际放电比容量也只有92 mAh·g-1。从上述可以看出,较低的比容量是制约硼酸盐发展的主要因素[119]。
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