[发明专利]负极活性材料及其制备方法以及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极活性材料及其制备方法以及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池商业化的负极材料大多采用石墨，但是石墨材料的理论储锂比容量只有372mAh/g。为满足高容量锂离子电池的需求，研究开发新型的高比容量锂离子电池负极材料替代目前商业化应用的石墨负极材料显得非常迫切和必要。

自从2000年Poizot等人首次报道过渡金属氧化物(TMOs, transition metal oxides)作为锂离子电池负极材料以来，过渡金属氧化物以及其他过渡金属化合物（TMX）作为锂离子电池负极材料颇受关注。过渡金属的氧化物，如Fe、Ni、Co、Cu等，一般具有类似的电化学行为。其脱嵌锂机理一般是：嵌锂时，Li嵌入到过渡金属氧化物中，通过置换反应生成金属纳米颗粒，并均匀包埋在生成的Li₂O基质中；脱锂时，又可逆生成过渡金属氧化物和锂。

在这些过渡金属氧化物中，金属锰的氧化物，如MnO、Mn₃O₄、Mn₂O₃、MnO₂等，广泛应用于各类电化学储能设备而引起广泛的兴趣。锰的氧化物具有众多的结构，其电化学行为强烈依赖于氧化态、纳米结构和形态。根据理论计算，MnO、Mn₃O₄、Mn₂O₃、MnO₂的理论储锂比容量分别为755、936、1018、1232mAh/g。因此MnO₂的比容量最高。传统上，MnO₂在电池领域中作为一次锂电池的正极材料广泛使用，由于其较低的可逆容量和较差的循环稳定性无法应用于二次锂离子电池。

近年来，由于MnO₂具有较高的理论比容量，以及丰富的自然资源，对MnO₂作为锂离子电池负极材料的研究有增多的趋势，然而，MnO₂电化学性能远远无法令人满意，首次可逆比容量较低，更无法令人接受的是循环性能极差，多次循环后容量衰减迅速。甚至有研究者怀疑MnO₂是否具有电化学活性，能否应用于二次锂离子电池。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种锂离子电池负极活性材料及其制备方法以及锂离子电池，该锂离子电池负极活性材料具有较高的首次可逆比容量和优异的循环性能，可用于二次锂离子电池。

一种负极活性材料的制备方法，其包括以下步骤：将高锰酸钾与氯化氢在水中混合形成溶液；以及将该溶液在水热釜中进行水热反应，该水热釜中的溶液由高锰酸钾、HCl及水组成，反应温度为120℃~160℃，保温时间为3小时~10小时，生成实心结构的二氧化锰纳米棒。

一种负极活性材料，由实心结构的二氧化锰纳米棒组成。

一种锂离子电池，该锂离子电池的负极活性材料由实心结构的二氧化锰纳米棒组成。

相较于现有技术，本发明提供的二氧化锰纳米棒制备工艺简单，并且具有较好的导电性能，能够无需与导电材料复合即可直接作为锂离子电池负极活性材料应用，具有较高的可逆比容量，且循环性能稳定，显示出良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例合成的负极活性材料MnO₂纳米棒的XRD图。

图2为本发明实施例合成的负极活性材料MnO₂纳米棒的SEM图。

图3为本发明实施例合成的负极活性材料MnO₂纳米棒的在不同倍率下的电化学性能曲线。

图4为对比例1合成的MnO₂二次球的SEM图。

图5为对比例4合成的MnO₂纳米管的SEM图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的锂离子电池负极活性材料及其制备方法以及锂离子电池作进一步的详细说明。

本发明实施例提供一种锂离子负极活性材料，包括二氧化锰纳米棒(MnO₂)。

具体地，该MnO₂纳米棒长度小于10μm，直径约为50nm~200nm，优选为100nm左右。该MnO₂纳米棒作为锂离子电池负极活性材料恒流充放电循环100次后可逆比容量（即充电比容量）大于1400mAh/g。