[发明专利]一种氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池材料领域，公开了一种氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料及其制备方法和应用。将乙酸锰与碳酸氢铵溶解在乙二醇中，在180～220℃温度下溶剂热处理，得到碳酸锰，再与盐酸多巴胺反应，得到碳酸锰/聚多巴胺复合材料，然后在惰性气氛下煅烧处理，最后在马弗炉中进行氧化处理，得到氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料。本发明的制备方法简单，成本低廉；所制备的氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料结构稳定，导电性能好，作为锂离子电池负极材料具有优异的倍率性能和循环稳定性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的飞速发展，人类对化石能源的使用与日俱增。然而由于其不可再生化石能源所面临的枯竭问题日益严重。科学家推测，以现在的使用速度，化石能源将在200年后枯竭。而且，化石能源的过度使用还造成了温室气体的过度排放和环境的严重污染。雾霾便是化石能源过度使用的直接后果，人类的生存环境和健康状况面临巨大的威胁。为此，迫在眉睫的课题是致力于清洁能源的开发和利用。新型清洁能源，如风能、潮汐能、太阳能等，因其输出功率的波动性和间歇性等特点，使得清洁能源的有效利用必须依赖于高效的电化学储能技术。就此而言，二次电池和电化学电容器均可用作固定或可移动储能装置。目前，技术较为成熟的二次电池有镍镉电池、镍氢电池(Ni-MH)、铅酸电池及锂离子电池等。

作为二次电池的代表，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，引起了研究者的广泛关注。目前，锂离子电池已经在以手机和笔记本电脑为代表的3C数码产品市场得到广泛应用。但其应用于大规模储能及电动汽车(EV)动力电源时仍有许多不足之处，特别是在功率密度、能量密度、安全性及循环寿命等方面，因此迫切需要改善和深入发展锂离子电池的综合性能。

负极材料在很大程度上决定了锂离子电池的应用。近年来，过渡金属氧化物(TMOs)因其储量丰富，理论比容量较多，已经在锂离子电池负极方面得到了广泛的应用。在众TMOs中，锰基氧化物作为负极材料的锂离子电池(LIBs)可以获得相较于其他TMOs负极材料更高的电压和更高的能量密度，此外，Mn的价格低廉(比Co便宜20倍)，来源广泛，能形成多种氧化物，环保无污染，安全。但是锰基氧化物作为负极材料，反复的充放电过程容易使过渡金属氧化物材料体积严重膨胀，直接影响循环过程中活性颗粒与集流体接触。解决上述问题的主要途径有：增加过渡金属氧化物负极材料的导电性、制备具有特殊形貌纳米结构的过渡金属氧化物以及掺杂。但目前传统的锰基金属氧化物锂离子电池负极材料仍存在导电性能和循环稳定性差等缺点。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料的制备方法。该方法首先制备球形的氮掺杂碳包覆的氧化锰，然后通过氧化制备出氮掺杂碳包覆四氧化三锰(Mn₃O₄@NC)。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料。

本发明的再一目的在于提供上述氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种氮掺杂碳包覆四氧化三锰复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)将乙酸锰与碳酸氢铵溶解在乙二醇中，在180～220℃温度下溶剂热处理，产物经洗涤、干燥，得到碳酸锰微米球；

(2)将碳酸锰微米球与盐酸多巴胺溶解在Tris缓冲溶液中反应，固体产物经洗涤、干燥，得到碳酸锰/聚多巴胺复合材料；

(3)将步骤(2)所得碳酸锰/聚多巴胺复合材料在惰性气氛下进行煅烧处理，得到氮掺杂碳包覆氧化锰复合材料；