[发明专利]一种一氧化锰/氮掺杂还原氧化石墨烯复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二次电池领域，具体涉及一种一氧化锰/氮掺杂还原氧化石墨烯(MnO/NRGO)复合电极材料的制备方法。

背景技术

随着人类的发展，社会的进步，能源与环境问题已成为当今世界发展的两大主题。人们对于石油、天然气等天然能源的过分依赖，将导致社会及经济的不稳定发展，这使人们意识到开发可再生能源和贮存系统的紧迫性。目前，绿色无污染的新型电池体系已经成为世界各国竞相开发的热点。一方面它可以储存比如风能、太阳能等这些可持续能源提供的能量；另一方面将电池作为交通工具的能源供给，可以大大降低温室气体的排放量，从而也可以一定程度上改善环境问题。目前铅酸、镍镉及镍氢电池已经用于电子产品和电动交通工具，但是因为它们存在体积大、易对环境造成污染、使用寿命短和能量密度低等缺点，难以大规模用于电动汽车。锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长，安全稳定，无记忆效应等优点，有望广泛地用于电动汽车等混合动力车中。锂离子电池的容量大小主要取决于它的负极材料，传统的负极材料为碳材料。但是，碳材料的理论比容量较低(372mA h g^-1)，体积密度小，在充放电过程中容易脱落，当电池过充时还会存在安全问题。因此，开发一种新的电极材料是很有必要的。

过渡金属氧化物一氧化锰由于自然资源丰富、合适的电动势、低的电压滞后(<0.8V)，高的理论比容量(756mA h g^-1)等特点，被广泛用于锂离子电池负极材料的研究。但相应地也存在导电性差和体膨胀大等缺点。因此和高导电性的能稳定结构的物质复合是改善一氧化锰电化学性能的有效途径。

目前常见的制备一氧化锰基复合电极材料的方法是两步法。两步法中的第一步包括化学浴法，水热法等等。第二步主要为热处理过程。Zhang等人以硝酸锰和氧化石墨烯为原料，首先采用水热法制备了四氧化三锰和氧化石墨烯的复合物，随后在氨气气氛下热处理得到了氮掺杂一氧化锰和氧化石墨烯的复合物。该产物在100mA g^-1电流密度下，循环90圈放电比容量仅772mA h g^-1。[Zhang K,Han P,Gu L,et al.Synthesis of nitrogen-doped MnO/graphene nanosheets hybrid material for lithium ion batteries[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2012,4(2):658-664.]。上述体系将氮原子掺杂进一氧化锰中，并没有很大程度上提高一氧化锰的导电性，进而改善性能。Liu等以硫酸锰、碳酸氢钠、乙醇和硫酸铵为初始原料首先通过化学浴法制备了碳酸锰，然后将制备的碳酸锰和蔗糖球磨并在氩氢气气氛中热处理得到立方体一氧化锰碳复合物。在75mA g^-1电流密度下，循环50圈放电比容量为470mA h g^-1。[Liu Y,Zhao X,Fan L,et al.Facile synthesis of MnO/C anode materials for lithium-ion batteries[J].Electrochimica Acta,2011,56(18):6448-6452.]。该过程简单易得，但产物的结构并不是非常适合作为锂离子电池负极材料，因此其电化学性能的改善并不明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够解决过渡金属氧化物MnO作为锂离子电池负极材料导电性差，结构不稳定的缺点，且工艺简单，安全，制备周期短的一氧化锰/氮掺杂还原氧化石墨烯复合电极材料的制备方法。

为实现上述发明目的，其具体的技术方案如下：

1)将四水醋酸锰和尿素分别加入水中搅拌使其混合均匀配制成醋酸锰质量分数为3.5％-10％、尿素质量分数为1.25％-4.6％的混合溶液；

2)取30-100mg的氧化石墨烯加入到30-70ml混合溶液中，搅拌、超声分散均匀得混合物；

3)将步骤2)得到的混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中，进行水热反应；

4)将步骤3)所得的水热反应的产物进行过滤、洗涤、干燥；

5)将步骤4)所得的产物在惰性气氛中热处理，得到固体的其形貌为颗粒状MnO负载在了石墨烯片上，颗粒尺寸在100nm的一氧化锰/氮掺杂还原氧化石墨烯复合电极材料。

所述步骤1)中的搅拌为磁力搅拌。

所述步骤2)中超声分散的超声功率为60-100W，超声时间为2-5h。