[发明专利]一种一维同轴双纳米管复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种一维同轴双纳米管复合材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池负极材料技术领域。本发明的技术方案要点为：在室温、液相条件下即可快速批量合成α‑MnO₂ NTs前驱体，随后在α‑MnO₂ NTs前驱体表面包覆一层聚多巴胺得到α‑MnO₂@PDA DNTs中间产物，随后两步固相热处理中间产物即可得到一维同轴双纳米管复合材料α‑MnSe₂@N‑C DNTs，其合成工艺简单且成本低廉，制得的一维同轴双纳米管复合材料用作锂离子电池负极材料，由于一维同轴双纳米管复合材料α‑MnSe₂@N‑C DNTs具有特殊的结构形貌和高的电导率，展示出优异的储锂倍率性能和超长的高倍率循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种一维同轴双纳米管复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池凭借其高的能量密度、高功率密度、长循环寿命和环境友好等优势而成为新一代的高能绿色储能材料。目前，锂离子电池已经广泛应用于各类便携式电子产品、可穿戴电子产品和电动汽车等储能器件领域。在目前商业化应用的锂离子电池中，负极材料主要是石墨，其理论比容量仅为372mA h g^-1，限制了电池整体的能量密度。因此，研发新型高性能的负极材料是提升锂离子电池性能的有效策略。基于多电子转化机理的α-MnSe₂作为负极材料时具有更好的机械稳定性、电极动力学、热稳定性和更高的电导率，但仍然存在缺点，α-MnSe₂在循环期间大的体积变化、缓慢的动力学、差的倍率和循环性能，极大地阻碍了其优异电化学性能的实现。为了改善α-MnSe₂负极差的储锂性质，一个最有效的方法是制备具有功能化的碳基复合材料，尤其是异原子掺杂的碳基复合材料，通过活性材料与高导电碳材料间物理和电子上的直接接触，可有效地促进离子的传输动力学和提高电极电导率。此外，设计独特的纳米结构也是改善复合材料电化学性质的关键策略，能够更有效的缓解循环期间大的体积变化，并且提供丰富的界面空间供锂离子传输和电子迁移，从而更有效的缩短锂离子的传输距离和加快其电子迁移速率。该材料的形貌和结构设计思想以及合成方法对锂离子电池负极材料和正极材料的发展都具有非常重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供了一种一维同轴双纳米管复合材料及其制备方法，首次探索了该一维同轴双纳米管复合材料α-MnSe₂@N-C DNTs的储锂性能，在锂离子电池负极材料中具有较好的应用，并展示出优异的储锂倍率性能和超长的高倍率循环性能。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种一维同轴双纳米管复合材料，其特征在于：该复合材料是由α-MnSe₂内管和氮掺杂碳纳米管外管(N-C外管)组成的平均长度0.5-10μm、平均直径约100nm的一维同轴双纳米管α-MnSe₂@N-C DNTs(注：DNTs是doublenanotubes的缩写)，其中α-MnSe₂内管和氮掺杂碳纳米管外管紧紧生长在一起形成同轴的中空双纳米管结构。

进一步限定，所述一维同轴双纳米管α-MnSe₂@N-C DNTs中α-MnSe₂的质量百分含量为5％-90％，N-C DNTs的质量百分含量为10％-95％。

进一步限定，所述氮掺杂碳纳米管外管的平均壁厚为2-50nm。

本发明所述的一维同轴双纳米管复合材料的制备方法，其特征在于具体过程为：

步骤S1：将KMnO₄加入水中搅拌，再加入质量分数为36％的盐酸溶液并搅拌混合均匀，然后将混合溶液转移至不锈钢高压釜中于140℃水热反应得到α-MnO₂NTs前驱体；