柔性锂离子电池负极材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种柔性锂离子电池负极材料的制备方法，用于解决现有锂离子电池负极材料的制备方法制备的锂离子电池负极材料柔性差的技术问题。技术方案是以长度为100μm左右的超长MnO2纳米线为基体，添加氧化石墨烯溶液，利用二次水热制备具有柔性自支撑的Mn3O4/rGO电极材料，所制备的电极材料可以直接用于锂离子电池的负极材料，无需额外使用导电添加剂和粘结剂。其中，还原氧化石墨烯所占的比例为20％‑60％。由于利用的基体为超长的二氧化锰纳米线，故制备的锂离子电池负极材料具有自支撑性，提高了锂离子电池负极材料的柔性特性。

权利要求

1.一种柔性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将配制好的锰盐、氧化剂和酸的混合溶液移入水热反应釜中，在110～260℃温度下，水热反应12-96h，将水热得到的二氧化锰纳米线利用超纯水和无水乙醇反复冲洗3次以上，然后在60～150℃的温度下进行鼓风干燥或真空干燥4h以上；

步骤二、将步骤一制备得到的二氧化锰纳米线分散到去离子水中，加入氧化石墨烯溶液，超声分散0.25～8h，得到混合均匀的MnO2/GO悬浊液；

步骤三、将步骤二制备得到的MnO2/GO混合悬浊液移入水热反应釜中，在100～220℃温度下，水热反应8-48h，得到Mn3O4/rGO；

步骤四、将步骤三制备得到的Mn3O4/rGO分散于去离子水和无水乙醇中，利用真空抽滤获得柔性Mn3O4/rGO薄膜，然后置于60～90℃的真空干燥箱内干燥；

步骤五、将步骤四制备得到的柔性Mn3O4/rGO薄膜直接作为锂离子电池的负极材料组装锂离子电池；

所述氧化剂是氯酸钾、硫酸铵、过硫酸铵、高锰酸钾或氟化铵的任一种或任几种；

所述酸是醋酸、盐酸或硝酸的任一种。

2.根据权利要求1所述的柔性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述锰盐、氧化剂和酸均为分析纯，25℃下超纯水电阻率≥18.2MΩ.cm。

3.根据权利要求1所述的柔性锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述锰盐是硫酸锰、氯化锰、硝酸锰或醋酸锰的任一种。

说明书

柔性锂离子电池负极材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，特别涉及一种柔性锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

[0002] 21世纪以来，随着煤、石油、天然气等不可再生资源的日渐枯竭，以及其燃烧带来的环境污染，能源和环境两大问题已经成为阻碍当今世界可持续发展的瓶颈性难题。为了解决这一世界难题，寻求替代传统化石燃料的可再生绿色能源及谋求人与环境的和谐发展显得尤为迫切。新型能源的代表锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长且无记忆效应等优点而被广泛应用于便携式电子设备中。近年来，随着柔性/可折叠电子器件的发展，开发具有弯曲特性的柔性锂离子电池已成为目前储能领域研究的前沿方向之一。

[0003] 在负极材料方面，目前商业化的锂离子电池负极材料石墨的理论容量(372mAh g-1)偏低，限制了锂离子电池电化学性能的提高，因此设计和制备高性能锂离子电池负极材料是满足锂离子电池向电动设备发展的关键因素。过渡金属氧化物具有高容量的优点，其中锰氧化物(MnOx)除具备高理论比容量的特点外，还具有天然储量丰富、价格低廉、绿色环保、充放电平台低、能源转化效率高等一系列优点。但是，MnOx作为锂离子电池的电极材料，存在着容量利用率低、倍率性能差、循环稳定性差的问题，主要因为其导电性差以及锂离子嵌入和脱出过程中发生体积膨胀。可通过构建特定的形貌结构及制备复合材料来改善上述问题造成的容量衰减等。其中石墨烯因其优异的导电性、机械稳定性以及2630m2g-1的比表面积而被广泛用于制备过渡金属氧化物/石墨烯复合材料，用来改善锂离子电池负极的性能。

[0004] 文献“Li L,Guo Z,Du A,et al.Rapid microwave-assisted synthesis of Mn3O4–graphene nanocomposite and its lithium storage properties[J].Journal of Materials Chemistry,2012,22(8):3600-3605.”公开了一种锂离子电池负极材料的制备方法。该方法采用微波水热法成功合成了Mn3O4与石墨烯的纳米复合材料并成功应用于锂离子电池负极材料，但其合成的产物形态为纳米粉末，在电极的组装过程中使用了导电添加剂和粘结剂，且制备的电极材料不具备柔性可弯折的特性。

发明内容

[0005] 为了克服现有锂离子电池负极材料的制备方法制备的锂离子电池负极材料柔性差的不足，本发明提供一种柔性锂离子电池负极材料的制备方法。该方法以长度为100μm左右的超长MnO2纳米线为基体，添加氧化石墨烯溶液，利用二次水热制备具有柔性自支撑的Mn3O4/rGO电极材料，所制备的电极材料可以直接用于锂离子电池的负极材料，无需额外使用导电添加剂和粘结剂。其中，还原氧化石墨烯所占的比例为20％-60％。由于利用的基体为超长的二氧化锰纳米线，故制备的锂离子电池负极材料具有自支撑性，提高了锂离子电池负极材料的柔性特性。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种柔性锂离子电池负极材料的制备方法，其特点是包括以下步骤：

[0007] 步骤一、将配制好的锰盐、氧化剂和酸的混合溶液移入水热反应釜中，在110～260℃温度下，水热反应12-96h，将水热得到的二氧化锰纳米线利用超纯水和无水乙醇反复冲洗3次以上，然后在60～150℃的温度下进行鼓风干燥或真空干燥4h以上；

[0008] 步骤二、将步骤一制备得到的二氧化锰纳米线分散到去离子水中，加入氧化石墨烯溶液，超声分散0.25～8h，得到混合均匀的MnO2/GO悬浊液；

[0009] 步骤三、将步骤二制备得到的MnO2/GO混合悬浊液移入水热反应釜中，在100～220℃温度下，水热反应8-48h，得到Mn3O4/rGO；

[0010] 步骤四、将步骤三制备得到的Mn3O4/rGO分散于去离子水和无水乙醇中，利用真空抽滤获得柔性Mn3O4/rGO薄膜，然后置于60～90℃的真空干燥箱内干燥；

[0011] 步骤五、将步骤四制备得到的柔性Mn3O4/rGO薄膜直接作为锂离子电池的负极材料组装锂离子电池。

[0012] 所述锰盐、氧化剂和酸均为分析纯，超纯水电阻率≥18.2MΩ.cm@25℃。

[0013] 所述锰盐是硫酸锰、氯化锰、硝酸锰或醋酸锰的任一种。

[0014] 所述氧化剂是氯酸钾、硫酸铵、过硫酸铵、高锰酸钾或氟化铵的任一种或任几种。

[0015] 所述酸是醋酸、盐酸或硝酸的任一种。

[0016] 本发明的有益效果是：该方法以长度为100μm左右的超长MnO2纳米线为基体，添加氧化石墨烯溶液，利用二次水热制备具有柔性自支撑的Mn3O4/rGO电极材料，所制备的电极材料可以直接用于锂离子电池的负极材料，无需额外使用导电添加剂和粘结剂。其中，还原氧化石墨烯所占的比例为20％-60％。由于利用的基体为超长的二氧化锰纳米线，故制备的锂离子电池负极材料具有自支撑性，提高了锂离子电池负极材料的柔性特性。

[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

[0018] 图1是本发明柔性锂离子电池负极材料的制备方法流程图。

[0019] 图2是本发明方法实施例1制备柔性锂离子电池负极材料的扫描电镜照片。

[0020] 图3是本发明方法实施例1制备柔性锂离子电池负极材料、GO和纯MnO2的X射线衍射图谱。

[0021] 图4是本发明方法实施例1制备柔性锂离子电池负极材料的电化学性能图。

具体实施方式

[0022] 以下实施例参照图1-4。

[0023] 实施例1。

[0024] 1)称取4mmol硝酸锰、6mmol氯酸钾、7mmol醋酸钠和4mL醋酸加入60mL的去离子水中，充分搅拌溶解后，将溶液转入容量为100mL的水热釜中，将水热釜放入干燥箱中加热至110℃保温96h，水热反应完毕后自然冷却至室温，得到MnO2，使用去离子水和无水乙醇各冲洗3次，抽滤得到的MnO2自支撑膜在60℃下干燥10h；

[0025] 2)称取80mg步骤1)制备的MnO2，将其溶在到40mL去离子水中，搅拌均匀得到MnO2，随后称取80mg GO溶在40mL去离子水中，超声分散8h，形成均匀的GO分散液，将上述得到的两种溶液混合，室温搅拌2h，得到均匀的MnO2/GO混合悬浊液；

[0026] 3)将步骤2)制备出的MnO2/GO混合悬浊液移入水热釜中，将水热釜放入干燥箱中加热至160℃保温12h，水热反应完毕后自然冷却至室温，得到Mn3O4/rGO，使用去离子水和无水乙醇各冲洗3次，抽滤，80℃下干燥24h得到的Mn3O4/rGO柔性膜。从图2可以看出，本实施例制备的锂离子电池负极材料具有自支撑性，提高了锂离子电池负极材料的柔性特性。从图3可以看出，本实施例制备的锂离子电池负极材料的物相组成是Mn3O4@rGO。从图4可以看到经过100次循环后，本实施例制备的锂离子电池负极材料的比容量稳定在700mAh/g。

[0027] 实施例2。

[0028] 1)称取2mmol醋酸锰、3mmol氯酸钾、5mmol醋酸钾和2mL醋酸加入30mL的去离子水中，充分搅拌溶解后，将溶液转入容量为50mL的水热釜中，将水热釜放入干燥箱中加热至140℃保温70h，水热反应完毕后自然冷却至室温，得到MnO2，使用去离子水和无水乙醇各冲洗3次，抽滤得到的U-MnO2自支撑膜在90℃下干燥24h；

[0029] 2)称取40mg步骤1)制备的MnO2，将其溶在到40mL去离子水中，搅拌均匀得到MnO2，随后称取40mg GO溶在40mL去离子水中，超声分散3h，形成均匀的GO分散液，将上述得到的两种溶液混合，室温搅拌2h，得到均匀的MnO2/GO混合悬浊液；

[0030] 3)将步骤2)制备出的MnO2/GO混合悬浊液移入水热釜中，将水热釜放入干燥箱中加热至180℃保温10h，水热反应完毕后自然冷却至室温，得到Mn3O4/rGO，使用去离子水和无水乙醇各冲洗3次，抽滤，70℃下干燥24h得到的Mn3O4@rGO柔性膜。将Mn3O4/rGO材料直接作为负极组装成锂离子电池，经100次循环后比容量可达到650mAh/g。

[0031] 实施例3。

[0032] 1)称取4mmol氯化锰、6mmol氯酸钾、7mmol醋酸钾和4mL硝酸加入70mL的去离子水中，充分搅拌溶解后，将溶液转入容量为100mL的水热釜中，将水热釜放入干燥箱中加热至200℃保温40h，水热反应完毕后自然冷却至室温，得到MnO2，使用去离子水和无水乙醇各冲洗3次，抽滤得到的MnO2自支撑膜在120℃下干燥40h；

[0033] 2)称取160mg步骤1)制备的MnO2，将其溶在到40mL去离子水中，搅拌均匀得到MnO2，随后称取80mg GO溶在40mL去离子水中，超声分散6h，形成均匀的GO分散液，将上述得到的两种溶液混合，室温搅拌2h，得到均匀的MnO2/GO混合悬浊液；

[0034] 3)将步骤2)制备出的MnO2/GO混合悬浊液移入水热釜中，将水热釜放入干燥箱中加热至180℃保温18h，水热反应完成后自然冷却至室温，得到Mn3O4/@rGO，使用去离子水和无水乙醇各冲洗3次，抽滤，90℃下干燥24h得到的Mn3O4/rGO柔性膜。将Mn3O4/rGO材料直接作为负极组装成锂离子电池。经200次循环后比容量仍可保持在550mAh/g以上。

[0035] 实施例4。

[0036] 1)称取3mmol高锰酸钾和3mmol氟化铵加入40mL的去离子水中，充分搅拌溶解后，将溶液转入容量为50mL的水热釜中，将水热釜放入干燥箱中加热至260℃保温12h，水热反应完毕后自然冷却至室温，得到MnO2，使用去离子水和无水乙醇各冲洗3次，抽滤得到的MnO2自支撑膜在100℃下干燥24h；

[0037] 2)称取90mg步骤1)制备的MnO2，将其溶在到40mL去离子水中，搅拌均匀得到MnO2，随后称取50mg GO溶在50mL去离子水中，超声分散0.25h，形成均匀的GO分散液，将上述得到的两种溶液混合，室温搅拌2h，得到均匀的MnO2/GO混合悬浊液；

[0038] 3)将步骤2)制备出的MnO2/GO混合悬浊液移入水热釜中，将水热釜放入干燥箱中加热至220℃保温8h，水热反应完成后自然冷却至室温，得到Mn3O4/rGO，使用去离子水和无水乙醇各冲洗3次，抽滤，60℃下干燥24h得到的Mn3O4/rGO柔性膜。将Mn3O4/rGO材料直接作为负极组装成锂离子电池。经100次循环后比容量仍可保持在600mAh/g以上。

[0039] 发明人还将硫酸锰在内的锰盐，与硫酸铵、过硫酸铵在内的氧化剂，以及盐酸在内的酸的不同组合应用于以上实施例中进行试验，均取得了良好的效果。