[发明专利]一种氮掺杂碳包覆氧化锰锂离子电池复合负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳包覆氧化锰锂离子电池复合负极材料及其制备方法与应用，该复合材料由纳米级氧化锰和多巴胺复合而成，其中氧化锰呈球形。该方法是将制备的球形氧化锰纳米颗粒与盐酸多巴胺进行混合，过滤洗涤、干燥后得到氧化锰和聚多巴胺的复合物；然后通过高温碳化将聚合层转化为氮掺杂的碳层；本发明所制备的氮掺杂碳包覆氧化锰（MnO@NC）锂离子电池复合负极材料结构稳定，导电性能好，作为锂离子电池负极材料具有优异的倍率性能和循环稳定性能；多巴胺的聚合只需要在室温和弱碱性条件下完成，所以成本低廉，能耗较低、控制方便、环境友好，适合锂离子电池实际应用，能够实现工业化规模生产。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆氧化锰锂离子电池复合负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

二十一世纪科学技术发展的三大主题是能源、环境和信息，其中能源的匮乏以及严重的环境污染问题已经成为亟待解决的两大难题。为了应对以上两大难题，人们致力于发展太阳能、风能以及潮汐能等新型的绿色清洁能源，从而逐渐取代不可再生的且引起环境污染的化石类燃料。但是，现已经利用的大部分清洁能源都是非可控，以及间歇性的，这增加了能源储存与管理的成本，从而促使人们对储能材料进行大量的研究。

传统的储能设备有铅酸电池、铬镍电池，其中，铅酸电池和铬镍电池的能量密度较低，还会引起环境污染，已经不能满足人们的需求。锂离子电池具有电压高、使用时间长、容量大、体积小、无记忆效应和安全性能好等优点，正逐渐取代铅酸电池和铬镍电池，已成为人们关注的焦点。随着便携式电子设备的迅速普及和电动汽车的迅猛发展，商用的天然石墨负极材料以及不能满足电动设备对能量密度和功率密度的要求，因此迫切需要高性能的锂离子负极材料。因此，开发新一代锂离子电池负极材料迫在眉睫。

过渡金属氧化物因其具有高的比容量，在锂离子电池领域得到广泛的研究。在众多的过渡金属氧化物中，氧化锰由于具有较高的初始比容量，以及环境友好和成本低等优点，使其成为有潜力的新一代锂离子电池负极材料。但是大多数的金属氧化物的电子导电率和离子导电率都比较差，从而导致其倍率性能较差。同时，在重复的充放电过程中，金属氧化物较大的体积变化会降低材料的循环稳定性。因此，如何提高金属氧化物的电子导电性和循环稳定性，是对研究人员的巨大挑战。目前，减小颗粒尺寸、包覆或者掺杂导电物质是提高材料电化学性能的主要手段。

本发明利用自然聚合法将氧化锰与盐酸多巴胺复合制备出氮掺杂碳包覆氧化锰（MnO@NC）复合材料，截止目前为止，还没有将球形氧化锰与聚多巴胺复合的相关报道。

发明内容

针对目前传统的过渡金属氧化物锂离子电池负极材料导电性能和循环稳定性差等缺点，本发明提供一种氮掺杂碳包覆氧化锰（MnO@NC）锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，该方法可改善材料的导电性和结构稳定性，从而提高负极材料的电化学性能。另外，本发明提供的氮掺杂碳包覆氧化锰（MnO@NC）的制备方法简单、成本较低、环境友好，能够促进规模锂离子电池负极材料的发展，有望大规模的工业化应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种氮掺杂碳包覆氧化锰锂离子电池复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1）将锰源与碳酸氢铵溶解在溶剂中，随后转入聚四氟乙烯内衬高压釜后进行水热处理，再离心洗涤，干燥，得到碳酸锰纳米球；

2）将碳酸锰纳米球与盐酸多巴胺溶解在缓冲溶液中反应，再将反应产物固液分离，洗涤固体，干燥，得到碳酸锰/聚多巴胺复合材料；

3）将步骤2）所得碳酸锰/聚多巴胺复合材料在氮气气氛下进行煅烧处理，得到氮掺杂碳包覆氧化锰锂离子电池复合负极材料。

作为优选，步骤1）所述锰源为乙酸锰、硝酸锰、硫酸锰和氯化锰中的一种或几种。

作为优选，步骤1）所述溶剂为乙二醇、水和无水乙醇中的一种或几种。