[發(fā)明專利]一種氮摻雜多孔碳球/四氧化三錳納米復(fù)合電極材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510735538.1
• 申請日: 2015-11-03
• 公開（公告）號: CN105355874A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭連貴;覃彩芹;李偉;丁瑜;王鋒;方衎;孫雙橋
• 申請（專利權(quán)）人: 湖北工程學(xué)院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/50;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 武漢天力專利事務(wù)所 42208
• 代理人: 程祥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無機(jī)納米復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種氮摻雜多孔碳球/四氧化三錳納米復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

目前鋰離子電池商業(yè)化使用的石墨負(fù)極材料不僅理論比容量較低（僅為372mAh/g），而且大倍率充放電時安全性也較差，這些缺陷限制了鋰離子電池在純電動車（EV）、混合電動車（HEV）及航空航天等大型動力電源領(lǐng)域的應(yīng)用。過渡金屬氧化物的儲鋰行為由于基于轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)制因而具有比石墨高的理論比容量，但這類材料在實(shí)際應(yīng)用中電子電導(dǎo)率普遍較低，同時在反復(fù)的鋰離子脫嵌過程中存在嚴(yán)重的體積變化，導(dǎo)致材料的倍率性能較差，容量也快速衰減，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用。

為了改善過渡金屬氧化物的電化學(xué)性能，一種措施是將金屬氧化物制備成納米結(jié)構(gòu)（如納米粒子、納米線、納米片等），納米金屬氧化物的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)對于縮短鋰離子擴(kuò)散路徑是有利的，但納米材料的團(tuán)聚及電極表面副反應(yīng)的發(fā)生仍然影響其電化學(xué)性能（ZhangK,HanXP,HuZ,etal.NanostructuredMn-basedoxidesforelectrochemicalenergystorageandconversion.ChemicalSocietyReviews,2015,44:699-728）；另一種措施是將納米結(jié)構(gòu)的金屬氧化物與碳質(zhì)材料（如石墨烯、碳納米管、多孔碳、碳膠囊等）相結(jié)合制備復(fù)合材料，這樣可以結(jié)合不同材料的優(yōu)點(diǎn)。例如我們公開的發(fā)明專利CN104966824A將氧化鈷納米粒子與氮摻雜多孔碳球進(jìn)行復(fù)合，發(fā)揮了碳質(zhì)材料導(dǎo)電性好且作為體積緩沖器的作用，提高了材料的電化學(xué)性能。但氧化鈷這種氧化物作為鋰離子電池負(fù)極材料時仍然存在放電電位高、價格較高的缺點(diǎn)。在各種過渡金屬氧化物中，四氧化三錳作為一種錳系氧化物其理論比容量（937mAh/g）高于氧化鈷（890mAh/g）而且該材料放電電位低、儲量豐富、成本低廉、環(huán)境友好。目前的專利關(guān)于與四氧化三錳進(jìn)行復(fù)合的碳質(zhì)材料主要是石墨烯材料（例如CN103771406B、CN104022262A、CN104319108A等）。石墨烯能夠起到電子傳遞通道的作用，從而改善復(fù)合電極材料的導(dǎo)電性（WangL,LiYH,HanZD,etal.CompositestructureandpropertiesofMn₃O₄/grapheneoxideandMn₃O₄/graphene.JournalofMaterialsChemistryA,2013,1:8385-8397），但石墨烯材料復(fù)雜的制備過程及高的成本對復(fù)合材料的制備影響較大。此外，氮摻雜的碳質(zhì)材料可以增強(qiáng)碳質(zhì)結(jié)構(gòu)和鋰離子之間的相互作用，提供更多的活性中心，并加速鋰離子擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移的動力學(xué)反應(yīng)，這有助于鋰離子的嵌入和脫出，從而有利于改善碳質(zhì)材料的電化學(xué)性能（QieL,HuXL,HuangYH,etal.Nitrogen-DopedPorousCarbonNanofiberWebsasAnodesforLithiumIonBatterieswithaSuperhighCapacityandRateCapability.AdvancedMaterials,2012,24:2047–2050）。但目前將四氧化三錳納米粒子、多孔碳材料和氮摻雜三者結(jié)合，并采用可操作性強(qiáng)和制備條件溫和的方法將四氧化三錳納米粒子負(fù)載到氮摻雜多孔碳球制備高性能納米復(fù)合電極材料的報道還很少見。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種氮摻雜多孔碳球/四氧化三錳納米復(fù)合電極材料及其制備方法。該方法可操作性強(qiáng)且制備條件溫和，所制備的納米復(fù)合材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時具有高的可逆比容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的大倍率放電性能。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種氮摻雜多孔碳球/四氧化三錳納米復(fù)合電極材料，具體包括如下步驟：