[发明专利]一种锂离子电池纳米片重叠堆积立方体Mn(3‑x)CoxO4负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料，主要是公开了一种具有纳米片重叠堆积立方体形貌的Mn_(3-x)Co_xO₄(1.5＜x＜2.5)负极材料的制备方法，属于化学电源材料制备技术领域。

背景技术

目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨基材料，石墨基材料结构稳定，在充放电循环中具有稳定的可逆容量，但是它的理论比容量只有372mAh g^-1，难以满足快速发展的电子设备对锂离子电池更高的能量密度要求，因此具有更高比容量的新型负极材料是当前锂离子电池的研究热点。新型负极材料可使锂离子电池具有更轻的质量，更高的功率密度和能量密度。其中，金属氧化物由于具有较高的理论比容量(450mAh g^-1至1500mAh g^-1)，远远高出石墨的比容量而备受瞩目。但是，金属氧化物自身也存在一定的缺陷，从而限制了其商业化应用，如首次循环不可逆容量过高造成Li⁺的损失，在充放电反应中材料体积会发生较大变化而导致材料逐步粉化，失去电化学活性，致使其循环稳定性较差等等。针对上述问题，科学家对过渡金属氧化物改性方面做了大量工作，如将氧化物进行纳米化、与炭或石墨烯进行复合、对氧化物进行贵金属掺杂以提高其导电性等。最近，合成混合过渡金属氧化物，利用两种甚至多种金属的协同储锂和改良活性来提升电极材料性能成为一种备受关注的新方法。

为了证明作为电极材料时，混合金属氧化物不同于机械混匀的氧化物，Kang等分别通过计算和实验的方法对比了Mn₃O₄，Fe₃O₄，Co₃O₄以1:1:1的比例简单混匀后的混合物和MnFeCoO₄纳米材料作为电极材料时电化学性能。结果显示，Co₃O₄、Fe₃O₄、Mn₃O₄机械混合相有三个明显的放电峰，分别对应于三种金属的还原。而固溶体相MnFeCoO₄材料仅有一个放电峰，其峰位置不同于任何一种单一金属，而是受三种金属的放电电位和摩尔比例影响的。此外，MnFeCoO₄纳米材料的首次放电比容量要远远高于机械混匀的Co₃O₄、Fe₃O₄、Mn₃O₄机械混合物，且循环性能更好。这说明，通过多组分取代的金属氧化物来改善单一金属氧化物的电化学性能是一种行之有效的手段。

已报道的一些过渡金属氧化物中，Co₃O₄因为具有优良的电化学活性和高的比容量(890mAh g^-1)，而被视为一种前景很大的锂离子电池负极材料。但是Co元素价格昂贵并且有毒性，限制了其商业应用。因此研究部分取代Co元素的M_(3-x)Co_xO₄(0＜x＜3)(M＝Zn，Ni，Fe，Mn，Cu等过渡金属元素)混合过渡金属氧化物引起了研究者们的广泛兴趣。

以MnCo₂O₄为例的充放电机理为：

MnCo₂O₄+8Li⁺+8e^-→Mn+2Co+4Li₂O    (1)

相对于其他过渡金属元素，锰元素(Mn)具有较多氧化态，且锰的氧化物也具有较高的理论比容量，此外其价格便宜，储量丰富，环境友好等特点也使其成为一种极具前景的电极材料元素。因此，选择Mn_(3-x)Co_xO₄(1.5＜x＜2.5)作为锂离子电池负极材料是很有前景的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单分散、振实密度高以及电化学性能优异的锂离子电池纳米片重叠堆积立方体Mn_(3-x)Co_xO₄(1.5＜x＜2.5)负极材料的制备方法。

本发明的技术方案是：