[发明专利]纳米级氧化亚锰-导电炭黑复合材料及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米级氧化亚锰-导电炭黑复合材料及其合成方法，属于锂离子电池电极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池，是目前备受关注的一种重要的化学储能器件。由于其具有能量密度大，重量轻，无记忆效应，寿命长等多种优点，目前已经在以手机，笔记本电脑为代表的便携式个人电子器件中作为储能单元得到广泛的应用。现今锂离子电池正在逐步走向电动汽车动力领域及大容量的储能电源等应用，新的应用领域对锂离子电池的性能提出了更高的要求，对传统锂离子电池的电极材料及技术进行改进、优化甚至替代是当今的研究热点之一。

传统锂离子电池的商业化负极材料为石墨，其成本低廉，生产技术相对成熟，因此成为最广泛应用的负极材料。然而，石墨负极比容量较低(理论容量372mAh g^-1)，在大电流充放电的条件下表现不佳，而且在大电流下的电极安全性也存在隐患，这些问题使传统石墨负极材料在汽车动力电池等领域的新应用上有很大困难。

随着纳米技术的发展，人们发现许多过渡氧化物在纳米化后具有很高的电化学活性，作为高性能锂离子电池的负极材料有非常大的应用价值。其中，锰基氧化物资源丰富，而且与其他的金属氧化物负极材料(SnO₂，Co₃O₄)相比，具有价格低廉，环境亲和，电化学循环稳定性好等多种优势，从而成为一类相当有潜力的动力锂电池负极材料。在锰系材料中，氧化亚锰材料拥有较高的体积密度，较低的滞后电压(＜0.8V vs Li/Li⁺)以及较高的容量，有突出的应用前景。然而，其较低的本征电导率限制了其大电流下的电化学表现，成为氧化亚锰电极商业化的瓶颈之一。

纳米化可以降低材料的颗粒尺寸，有效缩短电子及锂离子在氧化亚锰负极材料中的传输路径，另外，与碳进行复合为提升氧化亚锰电极材料导电性的一种有效途径。设计并制备出具有纳米结构和高电化学活性的氧化亚锰/碳复合材料对其大规模商业化应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供纳米级氧化亚锰-导电炭黑复合材料，本发明的另一目的是提供上述材料的合成方法，本发明还有一目的是提供上述材料在锂离子电池负极中的应用。

本发明的技术方案为：纳米级氧化亚锰-导电炭黑复合材料，其特征在于复合材料中氧化亚锰与导电碳黑的质量比为0.5-2.5:1；其一次粒径为50nm-80nm。

本发明还提供了合成上述的氧化亚锰-导电炭黑复合材料的方法，其具体步骤为：

1)将高锰酸钾与去离子水配成高锰酸钾溶液，并与导电炭黑搅拌混合均一，其中导电炭黑与高锰酸钾的质量比为1：(1-4)；

2)将上述步骤1)得到的混合物在60-80℃下反应6-16h，将反应产物洗涤与烘干，得到氧化锰-导电炭黑复合物；

3)将上述步骤2)得到的氧化锰-导电炭黑复合物在还原氛围或者惰性氛围下，在400-700℃焙烧2-5h，得到纳米级氧化亚锰-导电炭黑复合材料。

优选步骤1)中所述的高锰酸钾溶液的质量浓度为0.2-0.8％。优选步骤3)中所述的保护性气氛或还原性气氛是通过向反应体系中通入氮气、氩气、二氧化碳、氦气、氨气、氢气、氢氩混合气或氢氮混合气等至少一种气体。

优选步骤3)中的升温速率1-5℃/min。

本发明还提供了上述的纳米级氧化亚锰-导电炭黑复合材料在锂离子电池负极中的应用。该材料应用于锂离子电池负极，50次循环后容量保持率大于80％，在500mA g^-1的电流充放电条件下，实际稳定容量(充放电循环20次以上)大于450mAh g^-1。

有益效果：

本发明提供了一种采用商业化的廉价导电炭黑作为基底，负载高电化学活性的氧化亚锰纳米粒子以得到氧化亚锰-导电炭黑复合材料及合成方法。技术工艺简单，原料对环境友好，产品作为锂离子电池负极材料有优异的电化学表现，有望替代目前商业化的石墨负极作为新一代的锂离子电池负极材料大规模应用。

附图说明

图1为本发明实施例1的中间产物氧化锰/导电炭黑复合材料的电子显微镜图；

图2为本发明实施例1产物氧化亚锰/导电炭黑复合材料的电子显微镜图；

图3为本发明实施例1产物的恒流充放电曲线；

图4为本发明实施例1产物低倍率(100mA g^-1)下的电池循环性能图；