一種鋰離子電池負極材料的製備方法與流程

2023-05-20 22:18:22 2

本發明屬於鋰離子電池領域，具體涉及一種鋰離子電池負極材料的製備方法。

背景技術：

鋰離子電池以其比能量高、功率密度高、循環壽命長、自放電小、性能價格比高等優點已經成為當今可攜式電子產品的可再充式電源的主要選擇對象。它被廣泛地應用於筆記本電腦、手提終端機、無繩電話、無線裝置、攝像機、數字相機等可攜式電子設備中，當然作為未來電動汽車的動力電池，也是極具潛力的應用前景之一。正負極材料和電解液是鋰離子電池的關鍵部分，決定了電池的整體性能。目前正極材料及電解液得到了較快發展。自1980年J.B.Gooodenough發現層狀結構的LiCoO2材料以來，人們又陸續發現多種正極材料，比如：LiV3O8、LiMn2O4和LiFePO4等。這些材料當中，LiCoO2、LiV3O8具有相對較高的比容量，LiMn2O4和LiFePO4材料安全性好、且可以滿足快速充放電，因此負極材料成為發展鋰離子電池的關鍵所在。

過渡金屬氧化物由於其高的理論容量(石墨烯的2～3倍)和豐富的自然資源被認為是最具前景的電極材料的候選者。其中，Mn3O4由於其高的理論比容量和低毒性、原料豐富、操作電壓低等優點被廣泛應用。然而，Li+在Mn3O4中的存儲在實際應用中有以下的障礙：(1)Li+的嵌入和脫嵌過程中大的體積效應，容易引起電極材料粉化，因此導致了低的容量；(2)低的導電率導致了低的電池性能。為解決以上問題，本發明選擇和高導電性的碳納米管複合，一方面以碳納米管為模板使得Mn3O4沿著管壁的方向生長和均勻分布在碳納米管上，二是極大地提高了Mn3O4作為電極材料的導電性，進而提升了鋰離子電池的循環和倍率性能。

目前已經報導的製備Mn3O4/CNTs作為鋰離子電池電極材料的製備方法有：溶劑熱法，熱分解法等。Zhaohui Wang等人以醋酸鈉、硝酸錳、乙二醇和碳納米管為原料通過溶劑熱和後期的熱處理路線製備了，Mn3O4/CNTs複合物，作為鋰離子電池負極材料，在電流密度為100mAg-1時，循環50圈後可逆比容量為592mA h g-1。[Wang Z H,Yuan L X,Shao Q G,et al.Mn3O4nanocrystals anchored on multi-walled carbon nanotubes as high-performance anode materials for lithium-ion batteries[J].Materials Letters,2012,80:110-113.]。該方法雖然成功地製備出了Mn3O4/CNTs複合物，但製備過程複雜，所需的能量較高，不適宜於工業化大規模生產，而且最為鋰離子電池負極材料其性能並不是他別理想。Shu Luo等人通過將SACNT薄膜浸漬到硝酸錳溶液中然後在馬弗爐中熱處理製得Mn3O4/SACNT，作為鋰離子的電池負極材料，循環100圈後可逆比容量為390mA h g-1。[Luo S,Wu H,Wu Y,et al.Mn3O4nanoparticles anchored on continuous carbon nanotube network as superior anodes for lithium ion batteries[J].Journal of Power Sources,2014,249:463-469.]。該方法雖然製備過程簡單，性能較好，但原料的準備比較複雜，也不適用於大規模工業化生產。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種工藝簡單、原料簡單易得的鋰離子電池負極材料的製備方法。

為實現上述發明目的，其具體的技術方案如下：

1)取0.05-0.2g的碳納米管，使用去離子水，超聲分散；

2)將高錳酸鉀和硫酸錳分別配製成質量分數為2％-5％的高錳酸鉀溶液和質量分數為3-10％的硫酸錳溶液；

3)將分散好的碳納米管加入高錳酸鉀溶液中攪拌，至體系均勻；

4)將配製好的硫酸錳溶液緩慢地加入到步驟3)所得到的均勻體系中，不斷攪拌，至黑色沉澱析出；

5)將步驟4)所得的黑色沉澱洗滌，過濾，烘乾，在管式氣氛爐中熱處理，即可得到Mn3O4/CNTs鋰離子電池負極材料。

所述步驟1)的碳納米管為羧基化的直徑為20-30nm碳納米管。

所述步驟3)的攪拌為磁力攪拌。

所述步驟4)的攪拌的轉速為500-1200r min-1。

所述步驟4)的攪拌的時間為3-12h。

所述步驟5)中的洗液為去離子水和無水乙醇。

所述步驟5)中的管式氣氛爐為氬氣氣氛。

所述步驟5)中的熱處理溫度為300-600℃，時間為1-5h。

本發明以高錳酸鉀、硫酸錳和羧基化的碳納米管為原料，首先採用低溫共沉澱法製備出二氧化錳和碳納米管的複合物，後將其熱處理，得到Mn3O4/CNTs複合物，可作為鋰離子電池的負極材料。與現有技術相比，本發明的製備工藝簡單，原料簡單易得，且CNTs的加入極大改善了Mn3O4的導電性，使得電子與鋰離子的傳輸速度加快，電池阻抗減小，容量增大。

附圖說明

圖1為本發明製備的鋰離子電池負極材料Mn3O4/CNTs的SEM(掃描電鏡)圖(放大倍數10萬倍)。

圖2為本發明製備的鋰離子電池負極材料Mn3O4/CNTs的SEM(掃描電鏡)圖(放大倍數20萬倍)。

圖3為本發明製備的鋰離子電池負極材料Mn3O4/CNTs的XRD(X射線衍射)圖。

圖4為本發明製備的鋰離子電池負極材料Mn3O4/CNTs的的循環穩定性圖。

具體實施方式

實施例1：

1)取0.05g的羧基化的直徑為20-30nm碳納米管，使用去離子水，超聲分散；

2)將高錳酸鉀和硫酸錳分別配製成質量分數為2％的高錳酸鉀溶液和質量分數為3％的硫酸錳溶液；