[发明专利]Li2MnO3纳米线及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与`电化学技术领域，具体涉及一种Li₂MnO₃纳米线及其制备方法，该材料可作为新型的高容量的锂离子电池负极活性材料。 

背景技术

锂离子电池作为一种绿色能源，目前已被广泛应用于日常生活当中，如手机、笔记本电脑等电子产品。新能源汽车领域的飞速腾起必将给锂离子电池带来更广阔的发展空间。世界锰矿的自然资源是非常丰富的，因此相对廉价。到目前为止，已经发现了50余种的氧化锰或氢氧化锰矿床。目前常用的锂离子电池负极材料是碳基材料，然而碳材料的容量比较低，并且负极不含有锂。所以人们希望可以制备一种新的锂离子电池负极材料来取代碳基材料。锰氧化物有很好的电化学性质，且成本低、毒性小，被公认为是一种最有潜力的锂离子电池负极材料。关于氧化锰用做电极材料已有一定的发展。但是氧化锰由于发生转换反应过程发生了较大的晶格畸变和体积膨胀，导致结构不可逆的破坏，从而导致容量的衰减。因此，研究基于新型纳米电极材料的大容量、高功率、长寿命、低成本锂离子电池是当前低碳经济时代锂离子电池研究的前沿和热点之一。纳米线材料具有大的长径比、高的比表面积以及径向的电子限域效应和轴向的电子传输特性，作为锂离子电池电极材料时与电解液接触面积大、锂离子脱嵌距离短，能有效提高材料的电活性，作为高功率锂离子电池电极材料时具有显著的优势。 

如果将锂原子引入到锰氧化物的晶格内部，获得一种层状的富锂锰酸锂Li₂MnO₃纳米线。那么在转换反应中原位产生的锰氧化物和氧化锂可以分散均匀，同时Li₂MnO₃也具有更大的体积去缓解反应过程中产生的体积膨胀。另一方面，这种富锂的方法也使得正极不含锂提供了可能，为下一代正极“锂自由”电极全电池的实现创造了机会。于是我们得到了这种新型的富锂的负极材料Li₂MnO₃纳米线。与二氧化锰容量衰减的现象不同，Li₂MnO₃纳米线表现了更为稳定的循环稳定性。它在500mA _g^-1的电流密度下，循环500圈以后容量可以达到1279mAh g^-1.该结果表明Li₂MnO₃纳米线具有优异的循环特性，是长寿命锂离子电池的潜在应用材料。 

另外，制备前驱体MnOOH纳米线所采用的简单水热法，可通过改变反应物浓度、反应温度和时间即可控制材料的形貌和尺寸大小，且制得的材料纯度高。而制备Li₂MnO₃纳米线所采用的简单煅烧法工艺简单，对设备要求低，非常有利于市场化推广。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种工艺简单、具有优良电化学性能的Li₂MnO₃纳米线及其制备方法和应用。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种Li₂MnO₃纳米线，其长度为1-2微米，直径为20-80纳米，为以下制备方法得到的产物： 

1)量取去离子水于烧杯中，保持搅拌状态；称取SDBS和PVP K30粉末加入烧杯中，继续搅拌； 

2)量取去离子水于烧杯中，保持搅拌状态；称取C₄H₆MnO₄·4H₂O粉末加入烧杯中，继续搅拌，得到锰酸锂溶液； 

3)量取去离子水于烧杯中，保持搅拌状态；称取LiOH粉末加入烧杯中，继续搅拌，得到氢氧化锂溶液； 

4)量取30％H₂O₂缓慢加入至步骤1)烧杯中，同时将锰酸锂溶液以及氢氧化锂溶液缓慢加入步骤1)的烧杯中，继续搅拌至混合均匀； 

5)将上步骤4)所得溶液转入反应釜中，加热条件下反应，取出反应釜，自然冷却至室温；将得到的产物放入塑料管中，即得MnOOH纳米线； 

6)将步骤5)制备得到的MnOOH纳米线分散于无水乙醇，以锰/锂摩尔比为1:2的比例称取相应量的锂源加入上述溶液，搅拌，然后将混合物真空干燥箱中烘干； 

7)将干燥后的混合固体转移至陶瓷坩埚并置于马弗炉中，烧结，最终得到Li₂MnO₃纳米线。