[发明专利]一种蜂窝状纳米结构MnO2锂离子电池阳极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池阳极材料的制备技术领域，具体涉及一种蜂窝状纳米结构MnO₂锂离子电池阳极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池是现代电化学取得的巨大成功，与镍镉电池、铅酸电池及镍氢电池等传统的电池相比，锂离子电池因具有高质量能量密度、高体积能量密度、安全性能好、循环寿命长、可快速充放电和对环境无公害等优点，锂离子电池的电极材料得以充分研究和应用。商用锂离子电池由锂离子插层负极材料（一般为石墨），锂离子插层正极材料（一般为锂氧化物如LiCoO₂）和锂离子电解液（锂盐LiPF₆溶解于碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯以及碳酸丙烯酯按不同体积配比的混合溶液中）等材料构成，锂离子电池成功商业化为能源问题带来缓解。但现有的锂离子电极材料、电解液材料已达到性能的极限，新一代可充电锂离子电池的研究需要进一步突破，其途径之一是开拓纳米材料在锂离子电池电极材料中的应用。

纳米材料用作锂离子电池材料有以下优点：较小的颗粒尺寸增加了Li⁺嵌入、脱出以及电子传输的速率。小尺寸的颗粒缩短了锂离子在颗粒内部传输距离，传输时间可用公式t = L²/2D表示（L表示传输路径长度，D是扩散常数），即时间随着尺寸减小而降低；较大的比表面积增加了电解质溶液与电极接触的的面积，提高了电池反应效率；纳米结构有利于保持结构稳定性，能有效缓解锂离子电池反应中锂离子进出活性材料而带来体积变化，能够抵抗活性物质结构的坍塌，保证电极反应正常进行。Liu等通过奥斯瓦尔德熟化法合成出尺寸约400nm的SnO₂-V₂O₅双层核壳产物，作为锂离子电池活性材料时，在250mA/g的电流密度下循环50圈后仍能保持673mAh/g的比电容；Zhao等利用简易水热法合成出石墨烯状MoS₂，作为锂离子电池活性材料时，电流密度为5A/g时放电容量高达600mAh/g；其它材料，ZnO二维超薄片的比表面积为265m²/g，Co₃O₄二维超薄片的比表面积为246m²/g，WO₃二维超薄片的比表面积为157m²/g。没有骨架支撑的多孔三维金属单质、金属氧化物、金属氧化物复合物也被广泛合成及研究，Bai等使用浸渍法得到多孔Ag/Co₃O₄催化剂，多孔结构赋予其特殊的孔道、大比表面积和可控的孔径分布及孔容，因此三维多孔Ag/Co₃O₄在催化甲醛氧化反应中具有极佳的表现，三维花状Fe₂O₃、NiCo₂O₄、Mg-Al-LDHS、酞菁铁、Ag/CuO、α-MnO₂、Ag等也得到广泛研究。

诸多金属氧化物中，廉价、自然界中广泛存在、对环境无公害的MnO₂脱颖而出成为极具应用潜能的电极材料，成为储能材料的首选研究物质。2013年Zhao等人使用石墨烯作为模板合成出超薄片状MnO₂；2014年Zhao Yong等人用碳球作为模板合成出C@MnO₂材料；Kundu等人以泡沫镍为基底合成出多孔超薄MnO₂纳米片，当样品作为锂离子电池中的电极材料时，在电流密度为100mA/g时，经过循环100圈后仍能获得高达1690mAh/g的放电比容量，比商业锂离子电池中常用的石墨的比电容高4.5倍，为具有优秀锂离子电池性能的电极材料的商业化合成提供了可能性。因此，探索制备高性能的三维结构纳米MnO₂材料用于锂离子电池阳极材料，有利于促进高性能锂离子电池的制备研究和应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的三维蜂窝状纳米结构MnO₂锂离子电池阳极材料的制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种三维蜂窝状纳米结构MnO₂锂离子电池阳极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）三维凝聚碳球模板的制备