[发明专利]碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯三元复合材料的制备方法及其应用

说明书

碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯三元复合材料的制备方法及其应用，本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，它要解决现有锂离子电池负极用碳酸锰/石墨烯复合材料的制备周期长，电化学性能较低的问题。制备方法：一、将石墨放入H₂SO₄溶液中，再加入KMnO₄，温度升高到85～98℃后加入去离子水和H₂O₂，得到Mn/氧化石墨溶液；二、超声处理；三、加入碳酸钠溶液，调节体系的pH至9～11；四、水浴加热，过滤收集沉淀，清洗、干燥后得到碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯三元复合材料。发明将制备氧化石墨所用到的高锰酸钾中的锰作为后续复合材料的锰源，提高原料利用率，缩短制备时间，作为锂离子电池负极材料增强了循环性能和比容量。

技术领域

本发明涉及一种绿色法制备碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯三元复合材料以及作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

在当今，由于传统燃料的使用引发的一系列环境污染和能源紧缺的问题受到了人们的极大关注。为了从根本上解决相关问题，开发新型环保能源成为关注热点。锂离子电池作为一种将化学能转化为电能的装置，能够有效的缓解环境污染等问题，而得到大力的开发和研究。但是目前商业上使用的锂离子电池负极材料，石墨，其低的比容量(372mAh g^-1)极大的限制了实际应用，无法满足便携式设备以及电动汽车等快速发展的需求。

目前，过渡族碳酸盐，特别是碳酸锰，由于其较高的比容量(1000+mAh g^-1，为目前商业化锂离子电池用石墨负极材料比容量的3倍)而受到关注。但是，碳酸锰也存在导电性差等问题，导致循环性能差。通过与石墨烯这种导电性良好的材料进行复合，可以有效的改善过渡族碳酸盐的综合性能。目前主要制备复合材料的方法为水热法或溶剂热法，主要步骤是先制备氧化石墨，然后加入锰盐和相应的沉淀剂，通过水热或者溶剂热反应，再经过洗涤干燥而得到碳酸锰/石墨烯复合材料。但是，目前的工艺，在制备氧化石墨的过程中，经过氧化反应以后，其溶液中存在较多的Mn²⁺，以及强酸等，造成了原料的浪费以及环境的污染，同时在后续制备碳酸锰/石墨烯复合材料的过程中，进一步加入锰盐和有机溶剂等，也会产生相应的浪费和污染，并且整个制备周期被延长。而对于水热和溶剂热法制备复合材料，由于受到装置的限制以及实验条件的限制，很难真正实现大规模制备，从而无法进行实际应用。

发明内容

本发明的目的是要解决现有锂离子电池负极用碳酸锰/石墨烯复合材料的制备周期长，电化学性能较低的问题，而提供一种绿色法碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯三元复合材料的制备方法及其应用。

本发明碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯三元复合材料的制备方法按下列步骤实现：

一、将1～10g石墨放入23～230ml的H₂SO₄溶液中，在0～5℃下搅拌20～60min，然后加入4～40g的KMnO₄，保持在0～5℃下搅拌2～3h，然后将温度升高到30～45℃，保持搅拌2～3h，进一步将温度升高到85～98℃，继续搅拌10～30min，再加入150～1500ml去离子水和10～100ml H₂O₂，冷却得到Mn/氧化石墨溶液；

二、将步骤一得到的Mn/氧化石墨溶液在超声下处理2～3h，得到Mn/氧化石墨烯溶液；

三、在搅拌的过程中，将碳酸钠溶液(缓慢)滴入到Mn/氧化石墨烯溶液中，调节体系的pH至9～11，得到碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯溶液；

四、将步骤三得到的碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯溶液置于90～98℃的水浴中，保持搅拌2～3h，然后过滤收集沉淀并用去离子水清洗，经过冷冻干燥后得到碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯三元复合材料。

本发明将碳酸锰/四氧化三锰/石墨烯三元复合材料作为锂离子电池中的电池负极材料。