[发明专利]一种锰酸锌/松针生物质炭复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锰酸锌/松针生物质炭复合材料。本发明还公开了一种锰酸锌/松针生物质炭复合材料的制备方法：将一定量的松针生物质炭分散于无水乙醇中；按照一定化学计量比的六水硝酸锌和四水硝酸锰溶解于去离子水中，将溶液快速倒入上述生物质炭分散液中搅拌均匀后先后加入氢氧化钠溶液和H₂O₂形成悬浮液，将悬浮液转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，在160℃下反应18小时得到锰酸锌/松针生物质炭复合材料。本发明制备工艺简单高效，成本较低，得到的复合材料具有良好的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及属于材料领域，具体涉及一种锰酸锌/松针生物质炭复合材料及其制备方法。

背景技术

能源是社会发展和经济增长的重要基石。然而，近百年来，经济的快速发展以化石能源开发利用为代价，导致化石能源急剧减少，人们一直致力于新能源的开发利用；在众多新型清洁能源中，锂离子电池以其重量轻、能量密度高、循环稳定性长、无污染等诸多突出优点受到了众多研究者的广泛欢迎。

目前，在商用锂离子电池中应用最为广泛的石墨基负极材料，由于其理论容量（372 mAh/g）已不能满足下一代动力锂离子电池对高能量密度、长循环寿命的要求；同时传统的碳材料由石油、煤等通过加工处理制备所得，能源和环境危机对传统碳材料的进一步发展提出了相应的挑战；因此，在能源危机的背景下，为下一代锂离子电池寻找新型的高性能电极材料成为人类迫在眉睫的任务；而自然界含量丰富的生物质材料（农作废弃物、瓜果皮、植被等）为传统碳材料的发展提供了一种出路；通过对其进行相应的处理可以作为锂离子电池的电极材料，不仅能够降低成本，而且符合可持续发展战略的规划。

近年来，二元金属氧化物（AxByOn；A，B＝Zn，Co，Ni，Mn，Fe等）引起了研究者的关注；其中四方尖晶石型锰酸锌（ZnMn₂O₄）具有高比容量（1008 mAh/g） 、低氧化电位、环境友好和低成本等优点。但由于导电率低、体积膨胀大而限制了锰酸锌负极材料的应用。

将松针生物质炭材料与锰酸锌复合得到锰酸锌/松针生物质炭复合材料可以提高锰酸锌负极材料的电导率和倍率性能；同时生物质炭材料本身具有多孔结构，能够为锰酸锌的体积膨胀提供相应的缓冲空间，从而提高材料的电化学循环寿命；目前对于锰酸锌负极材料的研究还较少，大多数的合成过程都需要进行煅烧处理，相对来说较为复杂；同时，锰酸锌/生物质炭复合材料的研究更是寥寥无几，这里锰酸锌/松针生物质炭复合材料为二元金属氧化物的简易合成与改性提供一种思路。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种锰酸锌/松针生物质炭复合材料及其制备方法，其优点在于：制备工艺简单高效，成本较低，能够改善锰酸锌负极材料电导率低、体积膨胀大、循环性能差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种锰酸锌/松针生物质炭复合材料的制备方法。其包括如下步骤：（1）生物质炭的制备：先用无水乙醇和去离子水清洗松针，然后放入真空干燥箱中80℃干燥；将干燥后的松针放在管式炉内300℃氩气氛下预炭化2小时；加热速率保持在5℃·min^-1；然后将预碳化材料磨成粉末，将研磨好的粉末加入KOH溶液中（KOH与预炭化物的质量比为1:1），均匀搅拌2小时后放入干燥箱中干燥12小时；将干燥后的粉末移入陶瓷坩埚中，在管式炉中900℃下氩气气氛煅烧2小时，升温速度为5℃·min^-1；所得黑色粉末用1 M盐酸溶液和去离子水洗涤至中性；最后，将残渣收集起来，在80℃的真空干燥箱中干燥12小时，得到松针多孔生物质炭。