一种Bi2Mn4O10化合物及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种Bi2Mn4O10化合物及其制备方法，该化合物作为锂离子电池负极材料应用于锂离子电池中。采用溶胶凝胶‑燃烧法或固相球磨法可制备Bi2Mn4O10化合物和Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料；具有较好的锂离子电池充放电性能，循环稳定性良好，工作电压合适，可用作锂离子电池负极材料。

A Bi2Mn4O10 Compound and Its Preparation and Application

The invention relates to a Bi2Mn4O10 compound and a preparation method thereof, which is applied in lithium ion batteries as a negative electrode material for lithium ion batteries. Sol-gel combustion or solid ball milling can be used to prepare Bi2Mn4O10 compound and Bi2Mn4O10/C anode materials for lithium ion batteries. It has good charge discharge performance, good cycling stability and suitable working voltage, and can be used as anode materials for lithium ion batteries.

【技术实现步骤摘要】
一种Bi2Mn4O10化合物及其制备和应用
本专利技术涉及化学式为Bi2Mn4O10的化合物、锂离子电池负极材料、制备方法以及利用该材料制作锂离子电池。
技术介绍
随着能源问题的日益严峻，不可再生资源的日益匮乏，以及人们对环保重要性认识的不断增强，社会对新能源的需求日益增强，而储能在能源体系中发挥越来越重要的作用。锂离子电池具有工作电压高、倍率性能好、循环寿命长、能量密度高、自放电小且无记忆效应等优点。锂离子电池已经广泛应用在小型便携电子设备中，同时也是动力电池的首选，在未来电化学储能市场中也会占据较大份额，因此关于锂离电池的研究一直是储能技术研究的热点之一。目前应用于锂离子电池的负极材料主要有石墨、中间相炭微球、石墨烯等碳材料以及钛酸锂等。然而，这些材料仍然存在很多问题：比容量较低，质量能量密度和体积能量密度低等，这些材料不能满足下一代高比能量锂离子电池的发展需求。金属氧化物类新型负极材料由于其高的理论比容量和低成本，被认为是用于下一代高比能量锂离子电池的负极材料。过渡金属Mn具有多种化学价态，在充放电过程中会与锂离子发生一系列多电子反应且电位较低。Bi的氧化物可以与锂离子发生多电子转化型反应，且金属Bi还可以与锂离子发生合金化反应，因而具有较高的理论比容量，但其本征电子电导率较低。
技术实现思路
本专利技术针对上述提出的技术问题，目的在于提供一种Bi2Mn4O10化合物及制备方法，以及Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料，并提供一种Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料的制备方法；具体技术方案如下：一种Bi2Mn4O10化合物。其制备步骤如下：将含Bi化合物、含Mn化合物按摩尔比Bi:Mn＝1:2的比例混合均匀，进行化学合成反应，制得Bi2Mn4O10化合物。所述含Bi化合物为Bi的氧化物或Bi的硝酸盐中的一种或两种；所述含Mn化合物为Mn的氧化物、Mn的硝酸盐、Mn的硫酸盐、Mn的碳酸盐或Mn的盐酸盐中的一种或二种以上。本专利技术提供的Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料。Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料的制备方法，采用溶胶凝胶法和随后固相球磨法制备Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料，其步骤如下：1)配料：将含Bi化合物、含Mn化合物按Bi:Mn为1:2的摩尔比加入50-100℃的去离子水中，同时加入螯合剂搅拌至形成溶胶态；2)将溶胶转移至100-150℃的烘箱中烘干，研磨成粉转移到刚玉坩埚中，进行预处理；所述预处理为于马弗炉中从室温升温至200-500℃燃烧反应5-20分钟，后在该温度下加热1-3小时以上，然后冷却至室温；3)控制各项参数进行材料合成：将盛有上述配料的刚玉坩埚置于马弗炉中，以1-5℃/min的速率从室温升至700-1000℃；保温12-48小时；待反应充分后，以1-50℃/h的速率降至室温，得到Bi2Mn4O10材料；4)将上述得到Bi2Mn4O10材料与科琴黑碳材料配料混合，进行球磨处理；控制各项参数进行所述球磨处理：碳材料质量占总质量的10-50％；球磨转速范围为300-1000rpm；球磨时间为12-48小时，得到Bi2Mn4O10/C材料。所述含Bi化合物为Bi的氧化物或Bi的硝酸盐中的一种或两种；所述含Mn化合物为Mn的氧化物、Mn的硝酸盐、Mn的硫酸盐、Mn的碳酸盐或Mn的盐酸盐中的一种或二种以上；所述螯合剂为柠檬酸、羟基乙酸或氨基乙酸的一种或两种以上，螯合剂：所有含金属元素化合物的摩尔比为3:1-1:1。采用固相反应法和随后固相球磨法制备Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料，其步骤如下：1)配料：将含Bi2O3、MnO2按Bi:Mn为1:2:的摩尔比配料进行预处理；所述经预处理的原料的预处理为将配置好的原料混合均匀后倒入刚玉坩埚中，与马弗炉中从室温升温300℃2)控制各项参数进行材料合成：将盛有上述配料的坩埚至于马弗炉中；以5℃/min的速率从室温升至700-1000℃；保温12小时；待反应充分后，以50℃/h的速率降至室温，得到Bi2Mn4O10材料。3)将上述得到Bi2Mn4O10材料与科琴黑碳材料配料混合，进行球磨处理；控制各项参数进行所述球磨处理：科琴黑碳材料配料质量为Bi2Mn4O10材料质量之和的20％；球磨转速范围为480rpm；球磨时间为12小时，得到Bi2Mn4O10/C材料；所述Mn(NO3)2用Mn的氧化物、Mn的硝酸盐、Mn的硫酸盐、、Mn的碳酸盐或Mn的盐酸盐代替。以下是几个典型的可得到Bi2Mn4O10化合物的化学反应：(1)2Bi(NO3)3+4Mn(NO3)2＝Bi2Mn4O10+14NO2↑+2O2↑(2)2Bi2O3+8MnO2＝2Bi2Mn4O10+O2↑Bi2Mn4O10化合物作为活性材料在锂离子电池负极材料中的应用。所述锂离子电池负极材料为Bi2Mn4O10/C材料，载体C占总质量含量的10-50％。本专利技术的优点在于：Bi2Mn4O10化合物具有较好的电子传导性，且同时具备了Mn和Bi的电化学性质，具有高的理论比容量。所获负极材料具有较高的比容量和较低的工作电压，较大的循环稳定性。Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料具有较高的比容量达到850mAh/g；其工作电压在0.01-3V之间，200个循环后比容量仍能保持87％以上。附图说明图1是本专利技术Bi2Mn4O10/C锂离子电池负极材料的SEM图片。图2为本专利技术Bi2Mn4O10的多晶粉末X射线衍射图谱。图3为本专利技术Bi2Mn4O10的晶体结构图。图4为本专利技术Bi2Mn4O10/C负极材料0.2C倍率、0.01-3V范围内的充放电曲线。图5为本专利技术Bi2Mn4O10/C负极材料在1C的循环稳定性曲线。具体实施方式实施例1Bi2Mn4O10化合物的溶胶凝胶-燃烧法制备将0.005mol的Bi(NO3)3和0.01mol的Mn(NO3)2溶解于装有去离子水的烧杯中，然后加入0.0l5mol的柠檬酸，在70-80℃的恒温水浴中搅拌形成淡黄色溶胶。将该溶胶置于120℃烘箱中烘12h左右得到棕褐色前驱体，将该前驱体研磨呈粉末后置于坩埚中，将坩埚放入马弗炉中从室温升温至350℃燃烧反应10分钟，后在该温度下加热1小时，后冷却至室温。将合成的材料取出，研磨成粉后再次转移到坩埚中，放入马弗炉中；以5℃/min的速率从室温升至700-1000℃；保温12小时；待反应充分后，以50℃/h的速率降至室温，得到Bi2Mn4O10化合物。如图1所示，其为灰黑色粉末，颗粒尺度范围在5μm以下。其X射线衍射图谱如图2所示，其为莫来石结构。其晶体结构图如图3所示。从图3中可以看到，其主要包括沿轴向排列的共边MnO6正八面体链和共边MnO5四角方锥链两部分，通过共定点的方式连接形成由五个上述结构单元(两个正八面体和三个四角方锥)组成的环状结构，Bi离子则位于这种环状结构当中。实施例2Bi2Mn4O10化合物固相反应法制备将0.005mol的Bi2O3、0.02mol的MnO2放入玛瑙研钵中，研磨半小时。然后转移到坩埚中，将坩埚放入于马弗炉中。以1-10℃/min的升温速度将炉子从室温升温300-500℃，保温3-10小时，最后以1-10℃/min的速度降至室温。将合成的材料取出，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Bi2Mn4O10化合物的制备方法，其特征在于：采用溶胶凝胶‑燃烧法制备Bi2Mn4O10化合物，其步骤如下：1)配料：将含Bi化合物、含Mn化合物按Bi:Mn为1:2的摩尔比加入50‑100℃的去离子水中，同时加入螯合剂搅拌至形成溶胶态；2)将溶胶转移至100‑150℃的烘箱中烘干，研磨成粉转移到刚玉坩埚中，进行预处理；所述预处理为于马弗炉中从室温升温至200‑500℃燃烧反应5‑20分钟，后在该温度下加热1‑3小时以上，然后冷却至室温；3)控制各项参数进行材料合成：将盛有上述配料的刚玉坩埚置于马弗炉中，以1‑5℃/min的速率从室温升至700‑1000℃；保温12‑48小时；待反应充分后，以1‑50℃/h的速率降至室温，得到Bi2Mn4O10材料；或，采用固相反应法制备Bi2Mn4O10化合物，其步骤如下：1)配料：将含Bi化合物、含Mn化合物按Bi:Mn为1:2的摩尔比配料进行预处理；所述预处理为将配置好的原料混合均匀后倒入刚玉坩埚中，于马弗炉中从室温升温300‑500℃反应3‑5小时，然后冷却至室温；2)控制各项参数进行材料合成：将盛有上述配料的坩埚至于马弗炉中；以1‑5℃/min的速率从室温升至700‑1000℃；保温12‑48小时；待反应充分后，以1‑50℃/h的速率降至室温，得到Bi2Mn4O10材料。...

【技术特征摘要】
1.一种Bi2Mn4O10化合物的制备方法，其特征在于：采用溶胶凝胶-燃烧法制备Bi2Mn4O10化合物，其步骤如下：1)配料：将含Bi化合物、含Mn化合物按Bi:Mn为1:2的摩尔比加入50-100℃的去离子水中，同时加入螯合剂搅拌至形成溶胶态；2)将溶胶转移至100-150℃的烘箱中烘干，研磨成粉转移到刚玉坩埚中，进行预处理；所述预处理为于马弗炉中从室温升温至200-500℃燃烧反应5-20分钟，后在该温度下加热1-3小时以上，然后冷却至室温；3)控制各项参数进行材料合成：将盛有上述配料的刚玉坩埚置于马弗炉中，以1-5℃/min的速率从室温升至700-1000℃；保温12-48小时；待反应充分后，以1-50℃/h的速率降至室温，得到Bi2Mn4O10材料；或，采用固相反应法制备Bi2Mn4O10化合物，其步骤如下：1)配料：将含Bi化合物、含Mn化合物按Bi:Mn为1:2的摩尔比配料进行预处理；所述预处理为将配置好的原料混合均匀后倒入刚玉坩埚中，于马弗炉中从室温升温300-500℃反应3-5小时，然后冷却至室温；2)控制各项参数进行材料合成：将盛有上述配料的坩埚至于马弗炉中；以1-5℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华民，冯凯，宋子晗，李先锋，程意，王怀清，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21