[发明专利]锰酸锌/氧化铜复合锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锰酸锌/氧化铜复合锂离子电池负极材料及其制备方法。所述方法将乙酸锌和乙酸锰溶于乙醇溶液中，加入浓度为2.5M～3M的尿素溶液和CuO粉末，混合均匀得到前驱体溶液，然后将前驱体溶液置于150～200℃下进行溶剂热反应，得到前驱体，再将前驱体在500℃～700℃下煅烧，得到锰酸锌/氧化铜复合锂离子电池负极材料。本发明方法工艺简单，成本低，产量大，易于控制，便于工业化生产。本发明制备的锰酸锌/氧化铜复合材料具有优异的比容量、循环性能及倍率性能，尤其是对大电流下充放电性能的改善效果显著，作为锂离子电池负极材料具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，涉及一种锰酸锌/氧化铜复合锂离子电池负极材料及其制备方法。

技术背景

锂离子电池具有安全性好、使用寿命长、环境友好等优点，被广泛应用于手机、电脑、电动汽车等各领域。目前商用锂离子电池负极材料石墨的理论比容量只有372mAh g^-1，难以满足人们对更高容量的需求。

ZnMn₂O₄作为一种锰基复合金属氧化物，具有锰类金属氧化物固有优点的同时，又由于加入了Zn，导致彼此间电极电势不同，在充放电循环过程中，能够相互协同互为缓冲组分，有效改善原有的循环性能，其理论可逆容量高达784mAh/g，是常用的碳材料负极的两倍多。但ZnMn₂O₄也存在着缺点，如在充放电过程中，材料体积变化大，结构可能塌陷，而且材料容易发生粉化而从集流体上脱落，导致循环性能变差。

氧化铜(CuO)具有价格低廉、稳定性好、安全性好、储量丰富等优点，是储能器件、光催化和太阳能电池电极材料的优良选择。CuO的理论容量为674mAh g^-1，作为锂离子电池负极材料具有应用前景。然而，CuO电极在锂离子电池的应用中，锂(或电解质)离子和电子的缓慢传输以及电化学活性位点的降低，限制其进一步应用。

纳米材料的包覆改性能够改善单一材料体积变化大，结构塌陷，不可逆容量损失大等缺点。Yao等人用乙酸锰和乙酸锌作为锰源和锌源，采用油浴法170℃，加热回流2h得到MWCTN/ZnMn₂O₄,但电化学性能表现不佳，初始比容量仅为1092mAh/g(Yao W,etal.Chemically integrated multiwalled carbon anotubes/zinc manganatenanocrystals as ultralong-life anode materials for lithium-ion batteries[J].ACS Sustainable Chem.Eng,2015)。熊等人报道了一种化学合成的杂化ZnMn₂O₄/石墨烯纳米片，采用简易的两步法，显示出明显增强的锂储存能力。(Xiong P,et al.,ACS Nano,2014,8,8610)。B.Chandra Sekhar等人通过pH值控制驱动，制备了ZnMn₂O₄与氮掺杂石墨烯的复合材料，在100mA·g^-1电流密度下，首次放电容量仅仅能达到1025mAh g^-1，第二次放电容量仅为410mAh·g^-1(Sekhar B C,et al.Custom designed ZnMn₂O₄/nitrogen dopedgraphene composite anode validated for sodium ion battery application[J].RSCAdvances,2017,7(32):20057-20061)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锰酸锌/氧化铜复合锂离子电池负极材料及其制备方法。该方法采用混合溶剂热和后续热处理的方法合成原位生长的锰酸锌/氧化铜复合材料，该复合锂离子电池负极材料具有优异的比容量、倍率性能、循环性能以及安全性能。