[发明专利]高性能锰酸锂电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料合成和电化学技术领域，涉及锂离子电池正极材料及其制备方法，尤其涉及一种高性能锰酸锂电极材料及其制备方法。

背景技术

锰酸锂的原料资源丰富，价格低廉，具有优良的热稳定性和耐过充性能，可作为电动车和电动工具等动力电源的正极材料。但是尖晶石锰酸锂在循环过程和高温条件下(55℃)的容量衰减过快，是制约它进一步市场化的主要因素。导致锰酸锂循环性能差的主要因素是：Mn在电解质中的溶解、电解液的分解和John-Teller效应。通过优化合成工艺以得到具有高电压、高密度、高比容量锰酸锂电池是现如今的锂离子电池正极材料发展的总体方向。

现有技术中，专利文献CN103825013A公开了一种四氧化三锰生产高温型锰酸锂的方法，所述锰酸锂制备过程采用四氧化三锰和碳酸锂为主要原料，并按锂锰配料摩尔比0.52-0.60，添加剂对应成品质量百分比为0.1％-1％，经过生料混合、一次烧结、一次粉碎、水洗与干燥、二次烧结、分级和混合、过筛、除铁、包装。但是其合成过程复杂，材料不但需要按照比例添加，而且还有严格的具体操作细节要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高性能锰酸锂电极材料及其制备方法。本发明的方法通过银杏叶作为仿生模板，四氧化三锰纳米颗粒原位负载在三维立体多孔碳的网络结构上，从而形成具有多种优势的四氧化三锰，进而提出新型高性能锰酸锂电极材料的合成工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种高性能锰酸锂电极材料，由三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料与碳酸锂在高温条件下反应生成，所述复合材料包括重量百分比含量为50～80％的纳米四氧化三锰颗粒，重量百分比含量为20～50％的三维立体多孔碳材料支架。当四氧化三锰的含量过高，将导致锰酸锂的空间复杂度下降，造成可逆性能的大幅下降；当四氧化三锰的含量过低，将导致锰酸锂的空间结构坍塌，将会造成电极材料的容量大幅降低。

本发明还提供了一种高性能锰酸锂电极材料的制备方法，包括以下步骤：

A、将三维立体多孔碳材料支架与醋酸锰混合，形成混合物E；

B、在混合物E中加入氢氧化钾，10～60℃温度下反应12～36h；

C、步骤B反应结束后，经过滤、清洗、干燥后球磨即得所述的三维碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料；

D、将三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料与碳酸锂球磨混合，形成混合物G；

E、将混合物G在空气中焙烧；

F、步骤E结束后，将所得产物再次球磨，得到所述的高性能锰酸锂电极材料。

优选地，在上述制备方法的步骤A中，三维立体多孔碳材料支架与醋酸锰的质量比为1：(8～36)；在上述制备方法的步骤B中，醋酸锰与氢氧化钾的质量比为(2.5～3)：1；在上述制备方法的步骤C、步骤D和步骤F中，在所述球磨处理前用一定的表面活性剂处理，所述球磨时间为400h。

优选地，在上述制备方法的步骤E中，所述的焙烧的温度范围为750～800℃，所述的焙烧的时长为18～24h。

优选地，在本发明所述的高性能锰酸锂电极材料中，所述锰元素与锂元素的摩尔比为2～3:1。

优选地，在本发明所述的高性能锰酸锂电极材料中，所述四氧化三锰颗粒的粒径为10～20nm，所述锰酸锂的粒径为50～500nm。

优选地，在本发明所述的高性能锰酸锂电极材料中，所述三维立体多孔碳材料支架采用银杏叶制备。

优选地，在本发明所述的高性能锰酸锂电极材料中，所述三维立体多孔碳材料支架的制备包括以下步骤：

将银杏叶进行预处理得前驱物A；

将前驱物A进行碳化处理，碳化之后再进行球磨处理，即得。

优选地，在上述三维立体多孔碳材料支架的制备步骤中，所述的预处理具体为：将银杏叶剪碎后再磁力搅拌下用盐酸溶液或碱溶液处理，然后过滤、洗涤，得前驱物A；所述碳化处理具体包括：惰性气氛下，700-1000℃碳化处理4-6小时。

本发明基于银杏叶天然具有三维立体结构特点，设计四氧化三锰纳米颗粒负载在三维立体碳材料的网络结构上组成复合材料，进一步将复合材料与碳酸锂混合后高温反应，生成具有一定空间结构的高性能锰酸锂电极材料，提高了锰酸锂的充放电性能。