[发明专利]一种氮掺杂多孔碳球/四氧化三锰纳米复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米复合材料制备领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳球/四氧化三锰纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

目前锂离子电池商业化使用的石墨负极材料不仅理论比容量较低（仅为372mAh/g），而且大倍率充放电时安全性也较差，这些缺陷限制了锂离子电池在纯电动车（EV）、混合电动车（HEV）及航空航天等大型动力电源领域的应用。过渡金属氧化物的储锂行为由于基于转换反应机制因而具有比石墨高的理论比容量，但这类材料在实际应用中电子电导率普遍较低，同时在反复的锂离子脱嵌过程中存在严重的体积变化，导致材料的倍率性能较差，容量也快速衰减，从而限制了其实际应用。

为了改善过渡金属氧化物的电化学性能，一种措施是将金属氧化物制备成纳米结构（如纳米粒子、纳米线、纳米片等），纳米金属氧化物的小尺寸效应和表面效应对于缩短锂离子扩散路径是有利的，但纳米材料的团聚及电极表面副反应的发生仍然影响其电化学性能（ZhangK,HanXP,HuZ,etal.NanostructuredMn-basedoxidesforelectrochemicalenergystorageandconversion.ChemicalSocietyReviews,2015,44:699-728）；另一种措施是将纳米结构的金属氧化物与碳质材料（如石墨烯、碳纳米管、多孔碳、碳胶囊等）相结合制备复合材料，这样可以结合不同材料的优点。例如我们公开的发明专利CN104966824A将氧化钴纳米粒子与氮掺杂多孔碳球进行复合，发挥了碳质材料导电性好且作为体积缓冲器的作用，提高了材料的电化学性能。但氧化钴这种氧化物作为锂离子电池负极材料时仍然存在放电电位高、价格较高的缺点。在各种过渡金属氧化物中，四氧化三锰作为一种锰系氧化物其理论比容量（937mAh/g）高于氧化钴（890mAh/g）而且该材料放电电位低、储量丰富、成本低廉、环境友好。目前的专利关于与四氧化三锰进行复合的碳质材料主要是石墨烯材料（例如CN103771406B、CN104022262A、CN104319108A等）。石墨烯能够起到电子传递通道的作用，从而改善复合电极材料的导电性（WangL,LiYH,HanZD,etal.CompositestructureandpropertiesofMn₃O₄/grapheneoxideandMn₃O₄/graphene.JournalofMaterialsChemistryA,2013,1:8385-8397），但石墨烯材料复杂的制备过程及高的成本对复合材料的制备影响较大。此外，氮掺杂的碳质材料可以增强碳质结构和锂离子之间的相互作用，提供更多的活性中心，并加速锂离子扩散和转移的动力学反应，这有助于锂离子的嵌入和脱出，从而有利于改善碳质材料的电化学性能（QieL,HuXL,HuangYH,etal.Nitrogen-DopedPorousCarbonNanofiberWebsasAnodesforLithiumIonBatterieswithaSuperhighCapacityandRateCapability.AdvancedMaterials,2012,24:2047–2050）。但目前将四氧化三锰纳米粒子、多孔碳材料和氮掺杂三者结合，并采用可操作性强和制备条件温和的方法将四氧化三锰纳米粒子负载到氮掺杂多孔碳球制备高性能纳米复合电极材料的报道还很少见。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种氮掺杂多孔碳球/四氧化三锰纳米复合电极材料及其制备方法。该方法可操作性强且制备条件温和，所制备的纳米复合材料用作锂离子电池负极材料时具有高的可逆比容量、良好的循环稳定性和优异的大倍率放电性能。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

一种氮掺杂多孔碳球/四氧化三锰纳米复合电极材料，具体包括如下步骤：