一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法技术

本发明专利技术适用于锂离子电池技术领域，提供了一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法，将聚丙烯酰胺、尿素和氯化钠，溶于去离子水中，搅拌条件下加入四水合乙酸锰，水浴条件下搅拌至溶液体积为30mL；将得到的溶液经冰箱冷却后冷冻干燥，干燥后的前驱体在氩气气氛中煅烧；将得到的产物用去离子水进行洗涤抽滤，水洗后的样品在烘箱中干燥，得到四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料。本发明专利技术提供的制备方法制得的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合材料作为锂离子电池负极材料，具有优异的循环稳定性和倍率性能，合成方法简单可控，成本低廉，有望成为一种规模化使用的转化型负极材料。型负极材料。型负极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]现有的锂离子电池石墨负极已不能满足电动汽车和智能电网储能装置的高功率和高能量密度要求，因此开发新型先进的锂离子电池负极材料至关重要。锰基氧化物由于其高放电容量、合适的充放电电压平台、无毒性和天然丰富性，作为取代锂离子电池石墨电极的最佳选择之一；锰基氧化物主要包括MnO、Mn3O4、Mn2O3和MnO2，值得注意的是，Mn3O4基负极材料的理论容量比MnO高，电化学可逆性比Mn2O3和MnO2高，然而，在循环过程中的大体积变化和较差的电导率会导致Mn3O4基负极材料的循环稳定性和倍率能力较差。
[0003]为了解决这些缺陷，科学家们提出了两种有效的解决方案；减小活性材料的粒径是一种有效的解决方案，它可以减小锂离子扩散距离，并缓解循环过程中的体积变化。迄今为止，多种纳米结构的Mn3O4负极材料已被报道可以提高循环稳定性和倍率能力。将Mn3O4与碳基体结合形成复合材料是实现优异电化学性能的另一种有效策略，它可以进一步显著缓解充放电过程中的体积变化，并加快电子和锂离子的转移速度。在各种碳基体中，氮掺杂的蜂窝状碳由于其低成本和高效的电化学反应动力学，被认为是与Mn3O4合并的最佳选择之一。显然，将上述两种方案结合起来，也就是说，制备Mn3O4纳米颗粒/氮掺杂的蜂窝状碳复合材料可以实现出色的循环稳定性和倍率能力。然而，之前报道的Mn3O4纳米颗粒/碳复合材料一直是通过复杂且不可控的合成方法制备的，这限制了其发展和大规模应用，现有技术的制备方法都比较复杂、不易操控且成本高，不利于规模化生产，且现有技术所得产品循环稳定性和倍率性能较差。
[0004]因此，针对以上现状，迫切需要开发一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术实施例的目的在于提供一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法，以解决上述
技术介绍
中的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1：将聚丙烯酰胺、尿素和氯化钠，溶于去离子水中，搅拌条件下加入四水合乙酸锰，水浴条件下搅拌至溶液体积为30mL；
[0009]S2：将步骤S1中得到的溶液经冰箱冷却后冷冻干燥，干燥后的前驱体在氩气气氛中煅烧；
[0010]S3：将步骤S2中得到的产物用去离子水进行洗涤抽滤，水洗后的样品在烘箱中干燥，得到四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料。
[0011]作为本专利技术进一步的技术方案，在步骤S1中，聚丙烯酰胺为1.0
‑
1.4g、尿素为0.1
‑
0.3g、氯化钠为1.0
‑
3.0g、去离子水为40
‑
80mL、四水合乙酸锰为0.4
‑
0.8g以及水浴温度为70
‑
90℃。
[0012]作为本专利技术进一步的技术方案，在步骤S2中，冷冻干燥的时间为24
‑
72h、煅烧温度为500
‑
800℃、煅烧时间为0.5
‑
4h。
[0013]作为本专利技术进一步的技术方案，在步骤S3中，烘箱的烘干温度为40
‑
100℃，烘干时间为4
‑
72h。
[0014]作为本专利技术进一步的技术方案，在步骤S1中，四水合乙酸锰与聚丙烯酰胺的质量比为1：(1.25
‑
3.5)。
[0015]作为本专利技术进一步的技术方案，所述四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料为Mn3O4与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料。
[0016]一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料制备锂电池的方法，将四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料与20％的炭黑混合，再与含10％的聚偏二氟乙烯的N－甲基吡咯烷酮溶液混合，搅拌均匀后涂在铜箔上，放入烘箱中100℃烘干4
‑
24h；然后用直径为12mm的切片机切出电极片，在充满氩气的手套箱中，以金属锂片为对电极，聚丙烯多孔膜为隔膜，1mol/L六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯混合溶液为电解液，组装成扣式电池。
[0017]作为本专利技术进一步的技术方案，所述四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料与聚偏二氟乙烯的质量比为7：1，所述四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料与炭黑的质量比为7：2。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0019]本专利技术通过简单的水浴搅拌、冷冻干燥和煅烧的方式，制备出四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料，整个操作过程容易控制，成本较低，适合工业化生产；相比其他四氧化三锰复合材料，本专利技术制备的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料之间相互作用更强，四氧化三锰粒径较小，循环稳定性更好；且本专利技术制备的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料应用于锂离子电池领域，作为锂离子电池负极材料，其表现出了优异的循环稳定性和倍率性能，这对推动四氧化三锰的合成和在锂离子电池中的应用及发展具有非常重要的意义。
[0020]为更清楚地阐述本专利技术的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本专利技术进行详细说明。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例提供的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法流程图。
[0022]图2为本专利技术实施例提供的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的XRD、拉曼、氮气吸附和孔径分布图。
[0023]图3为本专利技术实施例提供的氧化亚锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的SEM、TEM和HRTEM图。
[0024]图4为本专利技术实施例提供的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的SEM、
TEM和HRTEM图。
[0025]图5为本专利技术实施例提供的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的元素分布图。
[0026]图6为本专利技术实施例提供的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的XPS图谱。
[0027]图7为本专利技术实施例提供的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料和氧化亚锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的电化学性能图。
[0028]图8为本专利技术实施例提供的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料和氧化亚锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的电化学阻抗谱图及频率与阻抗的线性拟合图。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0030]以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将聚丙烯酰胺、尿素和氯化钠，溶于去离子水中，搅拌条件下加入四水合乙酸锰，水浴条件下搅拌至溶液体积为30mL；S2：将步骤S1中得到的溶液经冰箱冷却后冷冻干燥，干燥后的前驱体在氩气气氛中煅烧；S3：将步骤S2中得到的产物用去离子水进行洗涤抽滤，水洗后的样品在烘箱中干燥，得到四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料。2.根据权利要求1所述的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，聚丙烯酰胺为1.0
‑
1.4g、尿素为0.1
‑
0.3g、氯化钠为1.0
‑
3.0g、去离子水为40
‑
80mL、四水合乙酸锰为0.4
‑
0.8g以及水浴温度为70
‑
90℃。3.根据权利要求1所述的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，冷冻干燥的时间为24
‑
72h、煅烧温度为500
‑
800℃、煅烧时间为0.5
‑
4h。4.根据权利要求1所述的四氧化三锰与氮掺杂蜂窝状碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丹，张纯燕，杨奇超，程治国，李玉珠，刘光印，刘小娣，
申请(专利权)人：南阳师范学院，
类型：发明
国别省市：