[發(fā)明專利]碳層包覆納米四氧化三錳殼核結(jié)構(gòu)材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110062154.3
• 申請(qǐng)日: 2021-01-18
• 公開（公告）號(hào): CN112382747B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳正穎;俞明浩;陳志剛;陳豐;錢君超;林艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/50;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32257
• 代理人: 王玉仙

本發(fā)明涉及一種碳層包覆納米Mn₃O₄殼核結(jié)構(gòu)材料及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明的納米Mn₃O₄@C材料以植物細(xì)胞組織為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，通過浸漬和分步煅燒合成。合成的材料保留了模板的生物形態(tài)，分步煅燒過程中形成氧化物納米粒子和薄層的生物碳，生物碳的保留促進(jìn)了Mn₃O₄納米分散和晶粒生長，所得材料均勻無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。在電池充放電過程中，生物碳可以有效緩解鋰離子脫嵌過程中晶格收縮導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)塌陷，并且為體積變化提供了支撐和保護(hù)，在循環(huán)過程中，碳層可以限制納米顆粒聚集和體積膨脹，改善電池性能。該材料用于鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，經(jīng)過250次循環(huán)之后，穩(wěn)定在840 mAhg^?1高比容量，循環(huán)庫倫效率穩(wěn)定在99%。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳層包覆納米Mn₃O₄殼核結(jié)構(gòu)材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

過渡金屬氧化物具有高理論比容量、資源豐富且相對(duì)綠色環(huán)保等特點(diǎn)，因此在鋰離子電池負(fù)極材料中有著良好的發(fā)展前景。2000年P(guān)oizot等人首次提出了過渡金屬可以和Li⁺之間發(fā)生可逆反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)Li⁺的儲(chǔ)存和釋放。在眾多過渡金屬氧化物當(dāng)中，錳氧化物因其理論比容量高、儲(chǔ)量豐富、分布廣、無毒害等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是非常有前途的石墨替代品。根據(jù)目前過渡金屬氧化物的充放電存儲(chǔ)機(jī)理，Mn₃O₄尖晶石結(jié)構(gòu)中的空隙/間隙可以提供更多的電活性位點(diǎn)和更高的電解質(zhì)離子插層/脫層能力，是極具吸引力的電極材料之一。

當(dāng)然，Mn₃O₄在實(shí)際電化學(xué)應(yīng)用中存在兩大問題：（1）在充電荷放電的過程中，其還原態(tài)金屬單質(zhì)易發(fā)生團(tuán)聚，加上體積膨脹對(duì)材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也有很大影響，造成材料在充放電過程中容量減小、循環(huán)性能變差；（2）Mn₃O₄電導(dǎo)率較低，在充放電過程中電子傳輸速率慢，加上循環(huán)過程中的體積粉化進(jìn)一步影響了電子的傳輸，導(dǎo)致較低的倍率性能。

針對(duì)上述問題，將Mn₃O₄用于電池電極材料往往需要改性，常見方法主要有兩種：（1）合成具有中孔、空心結(jié)構(gòu)等特殊形貌和結(jié)構(gòu)的Mn₃O₄來緩解體積變化，從而提升儲(chǔ)鋰性能；（2）通過與碳素材料進(jìn)行復(fù)合，增加材料的導(dǎo)電性。目前制備Mn₃O₄的方法多種多樣，主要分為以下幾種：固相法、沉淀法、水熱/溶劑熱法、電化學(xué)法、聲化學(xué)法等其他方法，其中水熱/溶劑熱法和沉淀法是研究人員用的最多的兩種方法。通過這兩種方法，可以制備出各種各樣的形貌的Mn₃O₄，且所得的材料具有十分優(yōu)秀的電化學(xué)性能。另一種提升Mn₃O₄性能的方法是將材料進(jìn)行納米化。由于納米材料具有五大效應(yīng)，因此納米級(jí)Mn₃O₄與傳統(tǒng)塊狀Mn₃O₄相比在性能上更優(yōu)越。納米材料的大小尺寸與可控制備一直是研究的重難點(diǎn)，而生物模板法合成納米材料具有制備條件低、反應(yīng)過程溫可控的優(yōu)點(diǎn)，使其脫穎而出。

近年來，隨著人們對(duì)大自然的不斷深入了解，越來越多的獨(dú)特生物結(jié)構(gòu)被發(fā)掘出來，并加以模仿和利用，所得的仿生材料廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。生物模板法是指把天然的生物材料作為模板，無機(jī)離子在生物模板中進(jìn)行擴(kuò)散，再通過煅燒等其他方法將模板除去，得到了具有獨(dú)特形貌結(jié)構(gòu)的材料，生物模板法所制備出來的材料一般具有微米甚至納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，并且能夠有效地復(fù)制原始生物模板固有的特殊結(jié)構(gòu)。但是目前還沒有采用生物模板法制備Mn₃O₄的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容