[發明專利]納米級氧化亞錳-導電炭黑復合材料及其合成方法

在審

• 申請號: 201510032616.1
• 申請日: 2015-01-22
• 公開（公告）號: CN104638257A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 邵宗平;鄧翔;趙伯特;張兆寶;蔡銳
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01M4/50
• 分類號: H01M4/50;H01M4/62;H01M4/131;B82Y30/00
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域

本發明涉及一種納米級氧化亞錳-導電炭黑復合材料及其合成方法，屬于鋰離子電池電極材料技術領域。

背景技術

鋰離子電池，是目前備受關注的一種重要的化學儲能器件。由于其具有能量密度大，重量輕，無記憶效應，壽命長等多種優點，目前已經在以手機，筆記本電腦為代表的便攜式個人電子器件中作為儲能單元得到廣泛的應用。現今鋰離子電池正在逐步走向電動汽車動力領域及大容量的儲能電源等應用，新的應用領域對鋰離子電池的性能提出了更高的要求，對傳統鋰離子電池的電極材料及技術進行改進、優化甚至替代是當今的研究熱點之一。

傳統鋰離子電池的商業化負極材料為石墨，其成本低廉，生產技術相對成熟，因此成為最廣泛應用的負極材料。然而，石墨負極比容量較低(理論容量372mAh?g^-1)，在大電流充放電的條件下表現不佳，而且在大電流下的電極安全性也存在隱患，這些問題使傳統石墨負極材料在汽車動力電池等領域的新應用上有很大困難。

隨著納米技術的發展，人們發現許多過渡氧化物在納米化后具有很高的電化學活性，作為高性能鋰離子電池的負極材料有非常大的應用價值。其中，錳基氧化物資源豐富，而且與其他的金屬氧化物負極材料(SnO₂，Co₃O₄)相比，具有價格低廉，環境親和，電化學循環穩定性好等多種優勢，從而成為一類相當有潛力的動力鋰電池負極材料。在錳系材料中，氧化亞錳材料擁有較高的體積密度，較低的滯后電壓(＜0.8V?vs?Li/Li⁺)以及較高的容量，有突出的應用前景。然而，其較低的本征電導率限制了其大電流下的電化學表現，成為氧化亞錳電極商業化的瓶頸之一。

納米化可以降低材料的顆粒尺寸，有效縮短電子及鋰離子在氧化亞錳負極材料中的傳輸路徑，另外，與碳進行復合為提升氧化亞錳電極材料導電性的一種有效途徑。設計并制備出具有納米結構和高電化學活性的氧化亞錳/碳復合材料對其大規模商業化應用具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是為了改進現有技術的不足而提供納米級氧化亞錳-導電炭黑復合材料，本發明的另一目的是提供上述材料的合成方法，本發明還有一目的是提供上述材料在鋰離子電池負極中的應用。

本發明的技術方案為：納米級氧化亞錳-導電炭黑復合材料，其特征在于復合材料中氧化亞錳與導電碳黑的質量比為0.5-2.5:1；其一次粒徑為50nm-80nm。

本發明還提供了合成上述的氧化亞錳-導電炭黑復合材料的方法，其具體步驟為：

1)將高錳酸鉀與去離子水配成高錳酸鉀溶液，并與導電炭黑攪拌混合均一，其中導電炭黑與高錳酸鉀的質量比為1：(1-4)；

2)將上述步驟1)得到的混合物在60-80℃下反應6-16h，將反應產物洗滌與烘干，得到氧化錳-導電炭黑復合物；

3)將上述步驟2)得到的氧化錳-導電炭黑復合物在還原氛圍或者惰性氛圍下，在400-700℃焙燒2-5h，得到納米級氧化亞錳-導電炭黑復合材料。

優選步驟1)中所述的高錳酸鉀溶液的質量濃度為0.2-0.8％。優選步驟3)中所述的保護性氣氛或還原性氣氛是通過向反應體系中通入氮氣、氬氣、二氧化碳、氦氣、氨氣、氫氣、氫氬混合氣或氫氮混合氣等至少一種氣體。

優選步驟3)中的升溫速率1-5℃/min。

本發明還提供了上述的納米級氧化亞錳-導電炭黑復合材料在鋰離子電池負極中的應用。該材料應用于鋰離子電池負極，50次循環后容量保持率大于80％，在500mA?g^-1的電流充放電條件下，實際穩定容量(充放電循環20次以上)大于450mAh?g^-1。

有益效果：

本發明提供了一種采用商業化的廉價導電炭黑作為基底，負載高電化學活性的氧化亞錳納米粒子以得到氧化亞錳-導電炭黑復合材料及合成方法。技術工藝簡單，原料對環境友好，產品作為鋰離子電池負極材料有優異的電化學表現，有望替代目前商業化的石墨負極作為新一代的鋰離子電池負極材料大規模應用。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的中間產物氧化錳/導電炭黑復合材料的電子顯微鏡圖；

圖2為本發明實施例1產物氧化亞錳/導電炭黑復合材料的電子顯微鏡圖；

圖3為本發明實施例1產物的恒流充放電曲線；

圖4為本發明實施例1產物低倍率(100mA?g^-1)下的電池循環性能圖；