CN106876672A - 高性能锰酸锂电极材料及其制备方法 - Google Patents

高性能锰酸锂电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高性能锰酸锂电极材料及其制备方法，锰酸锂电极材料由三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰复合材料与碳酸锂混合高温烘焙而得；三维立体多孔碳材料支架采用银杏叶制备；高性能锰酸锂电极材料制备时，按照锰元素/锂元素的计量比，将四氧化三锰复合材料与碳酸锂混合，高温反应即得。本发明基于银杏叶天然具有三维立体结构特点，设计四氧化三锰纳米颗粒负载在三维立体碳材料的网络结构上组成复合材料，进一步将复合材料与碳酸锂混合后高温反应，生成具有一定空间结构的高性能锰酸锂电极材料，提高了锰酸锂的充放电性能。

Description

高性能锰酸锂电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料合成和电化学技术领域，涉及锂离子电池正极材料及其制备方法，尤其涉及一种高性能锰酸锂电极材料及其制备方法。
背景技术
锰酸锂的原料资源丰富，价格低廉，具有优良的热稳定性和耐过充性能，可作为电动车和电动工具等动力电源的正极材料。但是尖晶石锰酸锂在循环过程和高温条件下(55℃)的容量衰减过快，是制约它进一步市场化的主要因素。导致锰酸锂循环性能差的主要因素是：Mn在电解质中的溶解、电解液的分解和John-Teller效应。通过优化合成工艺以得到具有高电压、高密度、高比容量锰酸锂电池是现如今的锂离子电池正极材料发展的总体方向。
现有技术中，专利文献CN103825013A公开了一种四氧化三锰生产高温型锰酸锂的方法，所述锰酸锂制备过程采用四氧化三锰和碳酸锂为主要原料，并按锂锰配料摩尔比0.52-0.60，添加剂对应成品质量百分比为0.1％-1％，经过生料混合、一次烧结、一次粉碎、水洗与干燥、二次烧结、分级和混合、过筛、除铁、包装。但是其合成过程复杂，材料不但需要按照比例添加，而且还有严格的具体操作细节要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高性能锰酸锂电极材料及其制备方法。本发明的方法通过银杏叶作为仿生模板，四氧化三锰纳米颗粒原位负载在三维立体多孔碳的网络结构上，从而形成具有多种优势的四氧化三锰，进而提出新型高性能锰酸锂电极材料的合成工艺。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种高性能锰酸锂电极材料，由三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料与碳酸锂在高温条件下反应生成，所述复合材料包括重量百分比含量为50～80％的纳米四氧化三锰颗粒，重量百分比含量为20～50％的三维立体多孔碳材料支架。当四氧化三锰的含量过高，将导致锰酸锂的空间复杂度下降，造成可逆性能的大幅下降；当四氧化三锰的含量过低，将导致锰酸锂的空间结构坍塌，将会造成电极材料的容量大幅降低。
本发明还提供了一种高性能锰酸锂电极材料的制备方法，包括以下步骤：
A、将三维立体多孔碳材料支架与醋酸锰混合，形成混合物E；
B、在混合物E中加入氢氧化钾，10～60℃温度下反应12～36h；
C、步骤B反应结束后，经过滤、清洗、干燥后球磨即得所述的三维碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料；
D、将三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料与碳酸锂球磨混合，形成混合物G；
E、将混合物G在空气中焙烧；
F、步骤E结束后，将所得产物再次球磨，得到所述的高性能锰酸锂电极材料。
优选地，在上述制备方法的步骤A中，三维立体多孔碳材料支架与醋酸锰的质量比为1：(8～36)；在上述制备方法的步骤B中，醋酸锰与氢氧化钾的质量比为(2.5～3)：1；在上述制备方法的步骤C、步骤D和步骤F中，在所述球磨处理前用一定的表面活性剂处理，所述球磨时间为400h。
优选地，在上述制备方法的步骤E中，所述的焙烧的温度范围为750～800℃，所述的焙烧的时长为18～24h。
优选地，在本发明所述的高性能锰酸锂电极材料中，所述锰元素与锂元素的摩尔比为2～3:1。
优选地，在本发明所述的高性能锰酸锂电极材料中，所述四氧化三锰颗粒的粒径为10～20nm，所述锰酸锂的粒径为50～500nm。
优选地，在本发明所述的高性能锰酸锂电极材料中，所述三维立体多孔碳材料支架采用银杏叶制备。
优选地，在本发明所述的高性能锰酸锂电极材料中，所述三维立体多孔碳材料支架的制备包括以下步骤：
将银杏叶进行预处理得前驱物A；
将前驱物A进行碳化处理，碳化之后再进行球磨处理，即得。
优选地，在上述三维立体多孔碳材料支架的制备步骤中，所述的预处理具体为：将银杏叶剪碎后再磁力搅拌下用盐酸溶液或碱溶液处理，然后过滤、洗涤，得前驱物A；所述碳化处理具体包括：惰性气氛下，700-1000℃碳化处理4-6小时。
本发明基于银杏叶天然具有三维立体结构特点，设计四氧化三锰纳米颗粒负载在三维立体碳材料的网络结构上组成复合材料，进一步将复合材料与碳酸锂混合后高温反应，生成具有一定空间结构的高性能锰酸锂电极材料，提高了锰酸锂的充放电性能。
本发明优势在于：合成过程简单；同时在实验过程中，我们的材料仅需要按照比例添加，并没有具体操作细节要求，在实验步骤上更为简练；在电极材料的表现效果上，本发明的高性能锰酸锂电极材料在电池循环的测试中，首圈容量达到115mAhg-1以上，优于专利文献CN103825013A中公开的的性能。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、在制备三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料的过程中，把四氧化三锰前驱体分散到天然银杏叶仿生模板法制备的三维立体多孔结碳材料中，从而实现四氧化三锰原位负载在三维立体多孔碳网络结构上。
2、由于本专利采用天然银杏叶作为仿生模板来制备三维多孔碳，并采用低成本的锰盐来制备四氧化三锰，故专利设计具有成本低，绿色环保，适合放大等优点。
3、由于本专利采用具有空间三维结构特性的四氧化三锰复合材料来制备锰酸锂，锰酸锂也将具有空间三维结构特性，进而促进锂离子的传递，提高电极材料充放电速度和深度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明制得的高性能锰酸锂电极的充放电循环性能数据；
图2为利用商用四氧化三锰材料按照相同方法制备的锰酸锂的性能数据。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下各实施例的高性能锰酸锂电极材料的基本制备原理为：先将银杏树叶经过预处理液清洗，高温碳化后，球磨并做表面处理。之后超声分散在乙醇溶液中。再按照一定的质量比依次称取醋酸锰、氢氧化钾超声分散，水浴处理24小时。将上述所得悬浊液清洗并干燥，得到三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料。将三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料与碳酸锂混合后高温焙烧，即得所述的高性能锰酸锂电极材料。
实施例1
本实施例提供了一种高性能锰酸锂电极材料及其制备方法，所述的高性能锰酸锂电极材料由三维立体多孔碳支撑的四氧化三锰纳米颗粒与碳酸锂在高温环境下反应制得，其中三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料包括重量百分比含量为60％的纳米四氧化三锰颗粒和重量百分比含量为40％的三维立体多孔碳材料支架。其制备步骤如下：
1.采用电子天平称取500mg的银杏树叶在磁力搅拌下用2mol/L的浓盐酸处理12h；
2.将上述材料过滤后，分别用乙醇和水清洗3次，并干燥；
3.将产物700℃处理240min，完成碳化，得到黑色碳材料；
4.将上述产物进行用表面活性剂处理后，进行球磨；
5.利用电子天平量取上述碳材料0.25g，超声分散在乙醇溶液中；
7.利用电子天平量取3.2g醋酸锰，加入上述分散系中并超声分散，之后转移到60℃的水浴锅中；
8.利用电子天平量取2.2g氢氧化钾，溶于20,mL乙醇溶液中；
9.将溶有氢氧化钾的乙醇溶液加入碳/醋酸锰体系中，反应24小时；
10.将上述分散系抽滤，并用乙醇和水清洗3次，干燥后得到黑色的三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料。
11.将三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料进行表面活性剂处理后，与0.37g碳酸锂球磨混合；
12.将球磨后的混合物置于空气中，在750℃条件下焙烧24h，得到高性能锰酸锂电极材料。
将所制得的试样进行各项特性测试，结果参见图1：
性能分析：参见图1，可逆容量大于115mAhg-1,为高性能锰酸锂的循环放电和倍率放电数据。
实施例2
本实施例提供了一种三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料及其制备方法，所述三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料包括重量百分比含量为60％的纳米四氧化三锰颗粒和重量百分比含量为40％的三维立体多孔碳材料支架。其制备步骤如下：
1.采用电子天平称取200mg的银杏树叶采用剪切机处理后在磁力搅拌下用2mol/L的浓盐酸处理12h；
2.将上述材料过滤后，分别用乙醇和水清洗3次，并干燥；
3.将产物1000℃处理360min，得到黑色碳材料；
4.将上述产物利用表面活性剂处理后，进行球磨；
5.利用电子天平量取上述碳材料0.05g，超声分散在水中；
7.利用电子天平量取1.6g醋酸锰，加入上述分散系中并超声分散，之后转移到60℃的水浴锅中；
8.利用电子天平量取1.1g氢氧化钾，溶于20mL乙醇溶液中；
9.将溶有氢氧化钾的乙醇溶液加入碳/醋酸锰体系中，反应48小时；
10.将上述分散系抽滤，并用乙醇和水清洗3次，干燥后得到黑色的三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料。
11.将三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料进行表面活性剂处理后，与0.19g碳酸锂球磨混合；
12.将球磨后的混合物置于空气中，在750℃条件下焙烧24h，得到高性能锰酸锂电极材料。
本实施例制得的高性能锰酸锂电极材料的各项特性测试结果与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种高性能锰酸锂电极材料的制备方法，与实施例1相同，不同之处仅在于：本对比例中采用的醋酸锰质量为6.4g。由此制备的高性能锰酸锂电极材料混入大量其他锰的氧化物杂质。
对比例2
本对比例提供了一种高性能锰酸锂电极材料的制备方法，与实施例1相同，不同之处仅在于：本对比例中采用的碳酸锂质量为1g。由此制备的高性能锰酸锂电极材料混入大量的杂质。
对比例3
本对比例提供了一种高性能锰酸锂电极材料的制备方法，与实施例1相同，不同之处仅在于：本对比例中采用的四氧化三锰为商用材料。由此制备的高性能锰酸锂电极材料的性能如图2所示，可逆容量小于100mAhg-1。
综上所述，本专利所采用银杏叶作为碳源，银杏叶独特的生物结构，使其碳化后形成的碳材料具有天然且规则的三维立体多孔结构，表面能够固定四氧化三锰纳米颗粒，进而用于合成锰酸锂电极材料，具有较好的创新性。由于本专利采用天然银杏叶作为仿生模板来制备三维多孔碳，并采用低成本的锰盐来制备四氧化三锰与锰酸锂，因此本专利设计具有成本低，绿色环保，适合放大等优点。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高性能锰酸锂电极材料，其特征在于，所述锰酸锂电极材料由三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰复合材料与碳酸锂混合高温烘焙而得，所述复合材料包括重量百分比含量为50～80％的纳米四氧化三锰颗粒，重量百分比含量为20～50％的三维立体多孔碳材料支架。
2.根据权利要求1所述高性能锰酸锂电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将三维立体多孔碳材料支架与醋酸锰混合，形成混合物E；
B、在混合物E中加入氢氧化钾，10～60℃温度下反应12～36h；
C、步骤B反应结束后，经过滤、清洗、干燥后球磨即得所述的三维碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料；
D、将三维立体多孔碳材料支撑的四氧化三锰纳米颗粒复合材料与碳酸锂球磨混合，形成混合物G；
E、将混合物G在空气中焙烧；
F、步骤E结束后，将所得产物再次球磨，得到所述的高性能锰酸锂电极材料。
3.根据权利要求2所述高性能锰酸锂电极材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤A中，三维立体多孔碳材料支架与醋酸锰的质量比为1：(8～36)；在所述步骤B中，醋酸锰与氢氧化钾的质量比为(2.5～3)：1；在所述步骤C、步骤D和步骤F中，在所述球磨处理前用一定的表面活性剂处理，所述球磨时间为400h。
4.根据权利要求2所述高性能锰酸锂电极材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤E中，所述的焙烧的温度范围为750～800℃，所述的焙烧的时长为18～24h。
5.根据权利要求1所述的高性能锰酸锂电极材料，其特征在于，锰元素与锂元素的摩尔比为2～3:1。
6.根据权利要求1所述的高性能锰酸锂电极材料，其特征在于，所述四氧化三锰颗粒的粒径为10～20nm，所述锰酸锂的粒径为50-500nm。
7.根据权利要求1所述的高性能锰酸锂电极材料，其特征在于，所述三维立体多孔碳材料支架采用银杏叶制备。
8.根据权利要求1所述的高性能锰酸锂电极材料，其特征在于，所述三维立体多孔碳材料支架的制备包括以下步骤：
将银杏叶进行预处理得前驱物A；
将前驱物A进行碳化处理，碳化之后再进行球磨处理，即得。
9.根据权利要求8所述的高性能锰酸锂电极材料，其特征在于，所述的预处理具体为：将银杏叶剪碎后再磁力搅拌下用盐酸溶液或碱溶液处理，然后过滤、洗涤，得前驱物A；所述碳化处理具体包括：惰性气氛下，700-1000℃碳化处理4-6小时。
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