[发明专利]一种高性能锂离子电池用碳包覆多孔三氧化二锰立方体负极材料的制备及应用

说明书

本发明属于锂离子电池领域，公开了一种高性能锂离子电池用碳包覆多孔三氧化二锰立方体负极材料(以下简称为Mn₂O₃@C)及其制备方法及应用。本发明利用酚醛树脂为碳源，二氧化硅为牺牲模板，加之在微乳液中制备前驱体，使含锰前驱体颗粒均匀，得到纳米级别的立方体前驱体，后续的煅烧使前驱体拥有多孔结构，并一定程度提高材料的结晶性，包覆了碳的立方体多孔材料有利于内阻的减小和电子的传输，刻蚀二氧化硅以后留下的空隙又可缓解体积膨胀的应力，对电化学性能有很大的提高。得到的碳包覆的多孔Mn₂O₃立方体负极材料具有高的比容量，充放电容量高，首次库伦效率高，且容量衰减情况得到显著改善。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，特别涉及一种高性能锂离子电池用碳包覆多孔三氧化二锰立方体负极材料(以下简称为Mn₂O₃@C)及其制备方法及应用。

背景技术

在商业化二次电池中，锂离子电池的比能量最高、循环性能最好，而且因其电极材料选择的多样性，作为储能电池具有广阔的发展前景。但随着科技的进步及市场的不断发展，对电池能量密度的需求日益迫切，因此提升锂电池的能量密度成为又一项困扰科研工作者的新的课题。

化石燃料消耗的急剧增长威胁到能源的可持续性，并促使研究人员开发可再生能源以确保社会的发展。锂离子电池(LIBs)是混合动力汽车和便携电子设备的卓越动力源，因为它具有高的能量密度，自放电小，无记忆效应，循环寿命长。而商业石墨作为锂离子电池负极材料的理论容量仅为372mA h g^-1，层间距为0.34nm，这在很大程度上限制了商业石墨的大规模应用。而氧化锰理论比容量高(MnO,756mA h g^-1；Mn₃O₄,937mA h g^-1；Mn₂O₃,1018mA h g^-1； and MnO₂,1233mA h g^-1)，较小电压滞后，环境友好，价格便宜，资源储量丰富，是作为锂离子电池的较好材料。然而，锰氧化物的电子电导率较差，并且嵌脱锂离子的过程伴随体积变化，导致其差的循环性和倍率性能。因此，提高锰氧化物的机械强度和导电性电极是关键的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种碳包覆多孔三氧化二锰立方体负极材料的制备方法，该方法通过乳液法得到立方体碳酸锰前驱体，退火后变为多孔结构，以二氧化硅为牺牲模板，酚醛树脂为碳源，通过在氮气氛围下灼烧使得酚醛树脂碳化，最后刻蚀得到碳包覆多孔立方体三氧化二锰，碳壳、空隙及多孔结构构成了三重缓冲结构，很好的缓解了负极材料在充放电过程中的体积膨胀，同时碳壳提高其导电性，极大的提高了电极材料的循环稳定性及倍率性能。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的碳包覆多孔三氧化二锰立方体负极材料，其可以解决锂电池负极材料导电性差和体积膨胀的问题。

本发明再一目的在于提供上述碳包覆多孔三氧化二锰立方体负极材料在制备锂离子电池中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种高性能碳包覆多孔三氧化二锰立方体负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将表面活性剂、助表面活性剂、溶剂和碳酸氢铵水溶液搅拌混合，形成澄清透明的微乳液；

(2)将四水硫酸锰的水溶液加入到步骤(1)中的混合溶液中，静置过滤得前驱体沉淀碳酸锰；

(3)将步骤(2)中的前驱体沉淀碳酸锰置于马弗炉中高温煅烧得多孔 Mn₂O₃立方体；