[发明专利]锂离子电池用碳包覆四氧化三锰多面体负极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池用碳包覆四氧化三锰多面体负极材料的制备方法，采用一步水热法得到Mn₃O₄中空多面体材料，以盐酸多巴胺作为碳源，通过在氩气环境下灼烧使聚多巴胺碳化在多面体表面。本发明合成的负极材料由于坚固的多面体框架、中间的空隙和包覆的碳壳构成了三重缓冲结构，有效地缓解了负极材料在充放电过程中产生的体积膨胀，极大地提高了材料的循环稳定性能。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池的负极材料，具体为碳包覆四氧化三锰多面体负极材料(以下简称为Mn₃O₄@C)。

背景技术

锰氧化物基材料由于其具有高理论容量、低成本、低毒性以及宽广的实用性等优点，被认为是具有广泛发展前景的一类锂离子电池负极材料。

文献“ACS Applied Materials Interfaces,2012,4:1636-1642”公开了一种采用水热法合成了碳包覆Mn₃O₄纳米棒复合材料的方法，将乙酸锰水合物、乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、去离子水混合搅拌，制得的均匀混合溶液放入水热釜中，再放在电热炉中180℃反应48h后降至室温，所得产物经过滤洗涤和室温下真空干燥，将所得棕色产物置于氮气环境下的管式炉中，在700℃下灼烧4h，得到碳包覆四氧化三锰纳米棒复合材料。经过电化学性能测试，该材料的首次放电容量分别为1246mAhg^-1，充电容723mAhg^-1，库仑效率为58％，经过50次循环后，容量稳定在473mAhg^-1(在电流密度40mAg^-1，电压范围0.1-2.0V)。但是，文献中制备的碳包覆四种锰氧化物具有如下不足：材料的不可逆容量较大，经过循环后放电保持容量较低(即循环性能欠佳)。这是由于该材料在充放电循环过程中，体积发生了膨胀和收缩，引起晶粒破碎，结构崩塌，导致电极的破坏，减少了电极的循环寿命，并且其在脱插锂反应时容易“团聚”，致使初始不可逆容量增大，电化学性能降低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种碳包覆Mn₃O₄多面体锂离子电池负极材料的制备方法，采用一步水热法得到Mn₃O₄中空多面体材料，以盐酸多巴胺作为碳源，通过在氩气环境下灼烧使聚多巴胺碳化在多面体表面。本发明合成的负极材料由于坚固的多面体框架、中间的空隙和包覆的碳壳构成了三重缓冲结构，有效地缓解了负极材料在充放电过程中产生的体积膨胀，极大地提高了材料的循环稳定性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)按照1：45～50的质量比，将高锰酸钾充分搅拌溶解于甲酰胺中，制得均匀的混合液；

(2)按照14～16：1的质量比，将聚乙二醇20000溶于去离子水中，制得均匀的混合液；

(3)按照1.3～1.5：1的质量比，将步骤(2)所得的混合液加入到步骤(1)的混合液中，于80℃下搅拌15min，得到溶胶；

(4)将步骤(3)所得溶胶在100-180℃下反应14h；

(5)冷却至室温后，将步骤(4)所得产物中的固体分别用去离子水和乙醇洗涤若干次并干燥；

(6)按照3.8～4.2的质量比，将步骤(5)所得固体加入到三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，超声0.5h；所述的三羟甲基氨基甲烷缓冲液摩尔浓度为10mM，pH值为8.5；

(7)按照1：503.1～503.2的质量比，将盐酸多巴胺加入到步骤(6)所得混合液中，于室温下搅拌6h；

(8)将步骤(7)所得固体分别用去离子水和乙醇洗涤数次并干燥；