[发明专利]氧化锰纳米粒子、方法和应用

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求2011年6月2日提交的、名称为“氧化锰材料、方法和应用”的美国临时专利申请序列号61/492,661的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

政府利益声明

获得本申请所描述的实施方式和本申请所主张的发明的研究在项目号为DE-SC0001086的美国能源部的资助下进行。美国政府享有本发明主张的权益。

背景技术

发明领域

实施方式总体涉及金属氧化物纳米粒子、方法和应用。更具体地，实施方式涉及性能增强的金属氧化物纳米粒子、方法和应用。

相关技术描述

可充电锂电池已经彻底改变了便携式电子设备。他们也越来越多的被用作为电动和混合动力电动汽车的电源。然而，对可充电锂电池需要关注的一个主要问题是安全性，尤其是当金属锂作为可充电锂电池的阳极材料时。这种安全性问题是由逐渐形成的锂枝晶引起的，其可以穿透将可充电锂电池内的阳极和阴极隔开的隔离物，并且导致电池短路。

考虑到锂电池具有明确的商业价值，因而有必要找到可以提供更加安全和更加有效的锂电池和锂电池组件的其他材料和方法。

发明概述

实施方式包括氧化锰纳米粒子、制备氧化锰纳米粒子的方法和氧化锰纳米粒子在锂电池中的应用。所述氧化锰纳米粒子、制备氧化锰纳米粒子的方法和氧化锰纳米粒子在锂电池中的应用可以涉及化学计量的氧化锰Mn₃O₄和Μn₂O₃·ΜnΟ，以及非化学计量的氧化锰，还可以涉及锂化氧化锰Li_xMn₃O₄（x≥0）。

特别地，所述实施方式提供了一种具有特定物理性质的特定氧化锰纳米粒子，所述特定物理性质是由特定的氧化锰纳米粒子制备方法得到的。所述特定物理性质包括海绵样形态（即，当使用扫描电子显微镜在放大2000倍的条件下成像时）和约65至约95纳米的粒子尺寸。所述氧化锰纳米粒子可以包括用于可充电锂电池的阳极材料。

根据所述实施方式的氧化锰纳米粒子的制备方法比较简单，仅需利用便宜且易于获得的原料，并且无需特殊设备。更重要的是，用于根据所述实施方式的锂电池（即，锂离子电池）内包括根据所述实施方式的氧化锰纳米粒子的阳极不仅仅提供了较高的首次可逆容量（869mAh/g）、较高的稳定可逆容量（800mAh/g）和较高的库伦效率（65%），而且显示出非常好的循环性能。在所述实施方式的范围内，“非常好的”循环性能是指这样的循环性能：当使用包括根据所述实施方式的氧化锰纳米粒子的阳极电极时，在经过40次电池充电和放电循环后，仍保持初始充电值的至少约90%。

所述实施方式还提供了一种用于可充电锂电池的阳极材料，其具有改善的安全性能和更具吸引力的工作电压。Mn₃O₄形式的氧化锰的锂化电压（～0.6V）高于典型的石墨碳（低于0.2V）。根据所述实施方式的氧化锰纳米粒子的这种性质从根本上消除了锂的沉积。Mn₃O₄形式的氧化锰还具有比Co₃O₄（去锂化为2.1V，锂化为1.2V）更低的工作电压（去锂化和锂化的平均电位分别为～1.3V和0.6V）。这样，当与特定阴极组合时，与例如包括Co₃O₄形式的氧化钴阳极相比，包括Mn₃O₄形式的氧化锰阳极的锂电池将具有更高的燃料电池（full-cell）工作电压和由此产生的能量密度。

考虑到所述实施方式的下述详细描述和附图后，本领域技术人员更容易理解所述实施方式的这些和其他性质。

根据所述实施方式的特定氧化锰纳米粒子包括一种纳米粒子，所述纳米粒子包括具有约65至约95纳米的粒子尺寸的氧化锰材料。

根据所述实施方式的特定电池组件包括一种纳米粒子，所述纳米粒子包括具有约65至约95纳米的粒子尺寸的氧化锰材料。

根据所述实施方式的特定电池包括一种电池组件，所述电池组件包括一种纳米粒子，所述纳米粒子包括具有约65至约95纳米的粒子尺寸的氧化锰材料。

一种用于制备根据所述实施方式的纳米粒子的特定方法包括煅烧氢氧化锰材料以形成具有约65至约95纳米的粒子尺寸的氧化锰纳米粒子材料。

附图简述