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一种纳米棒状锰化物负极材料的制备方法

阅读:500发布:2024-02-28

专利汇可以提供一种纳米棒状锰化物负极材料的制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种 纳米棒 状锰 氧 化物 负极材料 的制备方法,包括以下步骤:将含有海藻酸根的化合物加入到 有机 溶剂 中,加热状态下进行超声分散,离心,保留上清液备用; 负压 条件下预热分散有二价锰盐溶液的 有机溶剂 ,将上清液加入到经预热后的含有二价锰盐溶液的有机溶剂中得混合溶液,所得混合溶液进行搅拌,离心,收集下部沉淀,所得沉淀进行 真空 冷冻干燥 , 烧结 ,得纳米棒状锰氧化物负极材料。本 发明 制备方法中所形成的棒状物前驱体形貌可控,可以均匀制备;溶解后剩余的酒精可以回收循环利用,资源消耗小,对资源的最大化利用,而且工艺简便,得到的产物产率高,可以用于大规模生产。,下面是一种纳米棒状锰化物负极材料的制备方法专利的具体信息内容。

1.一种纳米棒状锰化物负极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将含有海藻酸根的化合物加入到有机溶剂中,加热状态下进行超声分散,离心,保留上清液备用;负压条件下预热分散有二价锰盐溶液的有机溶剂,将上清液加入到经预热后的含有二价锰盐溶液的有机溶剂中得混合溶液,所得混合溶液进行搅拌,离心,收集下部沉淀,所得沉淀进行真空冷冻干燥烧结,得纳米棒状锰氧化物负极材料。
2.根据权利要求1所述的纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述含有海藻酸根的化合物为海藻酸、海藻酸钠、海藻酸、甘露糖酸、古罗糖醛酸中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述的二价锰盐为乙酸锰、甲酸锰、锰的羰基化合物和甲酸盐中的一种或两种以上的混合物;所述二价锰的盐溶液的摩尔浓度为0.1mol/L~5 mol/L。
4.根据权利要求1~3之一所述的纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙醇、乙二醇中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1~4之一所述的纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述的海藻酸超声的频率为2000HZ~40000HZ,加热超声温度为10℃~70℃;超声时间为0.1h~7h。
6.根据权利要求1~5之一所述的纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述离心的转速为1000rad/min~7000rad/min,离心时间为1min~30min。
7.根据权利要求1~6之一所述的一种纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述负压条件为0.01MPa~1MPa,所述预热的温度为10℃~60℃,所述预热的时间为
0.1h~1h。
8.根据权利要求1~7之一所述的一种纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述混合溶液进行搅拌的温度为10℃~70℃;搅拌时间为0.1h~8h。
9.根据权利要求1~8之一所述的一种纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述真空冷冻干燥的温度为零下50℃~零下5℃,时间为3h~30h,真空负压为
0.01MPa~0.1MPa。
10.根据权利要求1~9之一所述的一种纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,其特征在于:所述烧结的温度为400℃~750℃;所述烧结的气氛为氧气或空气;所述烧结时间为
5h~15h。

说明书全文

一种纳米棒状锰化物负极材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于锂离子电池负极材料技术领域,具体涉及一种纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法。

背景技术

[0002] 伴随着能源问题和环境问题,人类对高比容量锂离子电池的需求越来越迫切。如何实现高容量、大功率和长寿命的锂离子电池,依赖于其中各核心部件的结构设计和性能提升。目前,国内外已从负极材料出发开展大量研究。过渡金属氧化物由于其供选择的种类众多且体积效应较小,已成为研究热点之一。相对于其他过渡金属氧化物的负极材料,锰氧化物的优势主要在于具有较高的理论比容量。该容量不仅远高于目前商用材料的理论比容量,而且也优于其他许多过渡金属氧化物的理论比容量如等。锰氧化物具有较低的放电平台约。该电压明显低于其他过渡金属氧化物负极材料的电压平台如。锰氧化物具有多样的晶体结构可供选择如相,相,相等。锰氧化物还具有丰富的自然储量、低廉的价格、环境污染较小等许多优点。锰氧化物较高的理论比容量将为开发大容量的锂电负极材料提供可能。作为负极材料,较低的放电平台将有助于提高电池整体的电压和功率多样化的晶体结构单元组装方式将有利于理解电极材料的结构与性能之间的关联,这些都使得锰氧化物在锂离子电池负极材料应用上具有巨大的潜
[0003] 氧化锰材料的制备方法主要有固相反应法、溶胶凝胶法、电化学沉积法等。固相法一般是将原料研磨锻烧生成超微粒子,生成的微粒容易出现结团、固体反应物接触不均匀、反应不充分及制得产物的形貌不均匀等缺陷电化学沉积法制备氧化锰材料,具有直接一步制成电极的优点。这种方法存在的主要问题是薄膜厚度不够均匀,热处理后出现大量裂纹等。溶胶凝胶法具有很大的优点,与其他方法比较它具有化学均匀性好,纯度高,颗粒细,以及可制备传统法不能或难以制得的产物等特点。(补充文献来源:向杰,材料导报,2009,1:53-55)向杰等以高锰酸和富酸为原料,采用溶胶凝胶法在一定条件下合成了晶型较好、比表面积较大的氧化锰八面体分子筛。文献来源(谢龙远,广州化工,2011,39:73-74)谢远龙采用溶胶凝胶法,以廉价的氯化锰为锰源,环氧丙烷为胶凝剂制备了粒径较小的氧化锰粒子。
[0004]  CN105869915A(陈亚)公开了一种二氧化锰纳米棒复合电极,该二氧化锰纳米棒复合电极包括集流体和附着于集流体上的二氧化锰纳米棒复合材料;所述二氧化锰纳米棒复合材料包含镍的氧化物和/或钴的氧化物;通过硫酸锰,硫酸钠,硫酸镍或硫酸钴,结构导向剂,加入去离子得到混合水溶液;用混合水溶液为电解液进行电沉积;电沉积完成后干燥得到包含镍的氧化物和/或钴的氧化物的二氧化锰纳米棒复合电极,制备出的电极材料具有较好的电化学性能。但是此制备工艺繁琐,步骤时间长,不利于大规模制备。
[0005] 目前制备纳米氧化锰的方法仍然存在很多局限,不能让氧化锰材料投入工业化级别的生产,

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是,克服现有技术存在的上述缺陷,提供一种简单易行,快捷高效,形貌可可控,低能耗,生产环保,适合规模化生产的纳米棒状氧化锰负极材料的制备方法。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:一种纳米棒状锰氧化物负极材料的制备方法,包括以下步骤:将含有海藻酸根的化合物加入到有机溶剂中,加热状态下进行超声分散,离心,保留上清液备用;负压条件下预热分散有二价锰盐溶液的有机溶剂,将上清液加入到经预热后的含有二价锰盐溶液的有机溶剂中得混合溶液,所得混合溶液进行搅拌,离心,收集下部沉淀,所得沉淀进行真空冷冻干燥烧结,得纳米棒状锰氧化物负极材料。
[0008] 进一步,所述含有海藻酸根的化合物为海藻酸、海藻酸钠、海藻酸钾、甘露糖酸、古罗糖醛酸中的一种或两种以上的混合物。
[0009] 进一步,所述的二价锰盐为乙酸锰、甲酸锰、锰的羰基化合物和甲酸盐中的一种或两种以上的混合物;所述二价锰盐溶液的摩尔浓度为0.1mol/L~5 mol/L。
[0010] 进一步,所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙醇、乙二醇中的一种或两种以上的混合物。
[0011] 进一步,所述的海藻酸超声的频率为2000HZ~40000HZ,加热超声温度为10℃~70℃;超声时间为0.1h~7h。
[0012] 进一步,所述离心的转速为1000rad/min~7000rad/min,离心时间为1min~30min。
[0013] 进一步,所述负压条件为0.01MPa~1MPa(表述不准确,已修正),所述预热的温度为10℃~60℃,所述预热的时间为0.1h~1h。
[0014] 进一步,所述混合溶液进行搅拌的温度为10℃~70℃;搅拌时间为0.1h~8h。
[0015] 进一步,所述真空冷冻干燥的温度为零下50℃~零下5℃,时间为3h~30h,真空负压为0.01MPa~0.1MPa(表述不准确,已修正)。
[0016] 进一步,所述烧结的温度为400℃~750℃;所述烧结的气氛为氧气或空气;所述烧结时间为5h~15h。
[0017] 与现有的技术相比,本发明简单易行,快捷高效,形貌可可控,低能耗,生产环保,适合规模化生产;只需要将乙酸锰溶解到酒精中,加入海藻酸后搅拌混合,得到纳米棒状的前驱体,再烧结即可得到纳米棒状的氧化锰负极材料,溶解后剩余的酒精可以回收,用以循环利用,用以再次制备析出纳米棒状前驱体,此方法简易高效,资源消耗小,可实现溶剂的循环使用,对于资源的利用最大化,工艺简便,得到的产物产率高,可以用于大规模生产纳米棒状氧化锰负极电池材料。另外,得到纳米棒状的氧化锰材料可以进一步作为基体扩展,可以用以制备锰酸锂,锰酸钠,锰酸钾等棒状的纳米正极材料附图说明
[0018] 图1为本发明实施例1所制备的纳米棒状锰氧化物的X射线衍射图;图2为本发明实施例1所制备的纳米棒状锰氧化物的电化学性能图;
图3为本发明实施例1所制备的纳米棒状锰氧化物的组装电池后的放电比容量图;
图4为本发明实施例1所制备的纳米棒状锰氧化物前驱体的SEM形貌图(放大2700倍);
图5为本发明实施例1所制备的纳米棒状锰氧化物前驱体的XRD图;
图6为本发明实施例1所制备的纳米棒状锰氧化物的SEM形貌图(放大5500倍);
图7为本发明实施例1所制备的纳米棒状锰氧化物的SEM形貌图(放大13000倍);
图8为本发明实施例1所制备的纳米棒状锰氧化物的SEM形貌图(放大14000倍)。
[0019] 图9为本发明实施例2所制备的纳米棒状锰氧化物的X射线衍射图;图10为本发明实施例2所制备的纳米棒状锰氧化物的电化学性能图;
图11为本发明实施例2所制备的纳米棒状锰氧化物的组装电池后的放电比容量图;
图12为本发明实施例3所制备的纳米棒状锰氧化物的X射线衍射图;
图13为本发明实施例3所制备的纳米棒状锰氧化物的电化学性能图;
图14为本发明实施例3所制备的纳米棒状锰氧化物的组装电池后的放电比容量图;
图15为本发明实施例4所制备的纳米棒状锰氧化物的X射线衍射图;
图16为本发明实施例4所制备的纳米棒状锰氧化物的电化学性能图;
图17为本发明实施例4所制备的纳米棒状锰氧化物的组装电池后的放电比容量图;
图18为本发明实施例5所制备的纳米棒状锰氧化物的X射线衍射图;
图19为本发明实施例5所制备的纳米棒状锰氧化物的电化学性能图;
图20为本发明实施例5所制备的纳米棒状锰氧化物的组装电池后的放电比容量图;
图21为本发明实施例6所制备的纳米棒状锰氧化物的X射线衍射图;
图22为本发明实施例6所制备的纳米棒状锰氧化物的电化学性能图;
图23为本发明实施例6所制备的纳米棒状锰氧化物的组装电池后的放电比容量图。

具体实施方式

[0020] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0021] 本发明实施例所使用的化学试剂,如无特殊说明,均通过常规商业途径获得。
[0022] 实施例1称取0.10000g海藻酸溶解于45ml酒精,60℃下超声10min,5000rad/min离心1min,取上部37.5ml上清液备用;取现配的0.05mol/L乙酸锰酒精溶液,在60度真空烘箱中,压力值小于0.01MPa时,预热30min,取先前离心后的含有海藻酸的酒精上清液37.5ml,加入预热后的乙酸锰酒精溶液中,搅拌30min,取沉淀离心,冷冻干燥,500度空气烧结5h,得纳米棒状锰氧化物。
[0023] (实施例1所得产品的纯度检测数据、循环性能检测数据、组装电池后的放电比容量如图1、图2、图3所示)参见图4、图5、图6、图7、图8所示,为本发明所制备的纳米棒纳米棒状锰氧化物进行的扫描电镜(SEM)分析,其结果是,所得产品具有明显的棒状结构,大小在1~5μm之间。
[0024] 实施例2称取0.10000g海藻酸溶解于45ml酒精,70℃下超声2h, 5000rad/min离心1min,取上部
37.5ml上清液备用;取现配的0.2mol/L乙酸锰酒精溶液,在60度真空烘箱中,压力值小于
0.01MPa时,预热30min,取先前离心后的含有海藻酸的酒精上清液37.5ml,加入预热后的乙酸锰酒精溶液中,搅拌5min,析出沉淀,取沉淀离心,冷冻干燥,500度空气烧结5h即可得到目标产物。(实施例2所得产品的纯度检测数据、循环性能检测数据、组装电池后的放电比容量如图9、图10、图11所示)
实施例3
称取0.08600g海藻酸溶解于50ml酒精,70℃下超声2h, 5000rad/min离心1min,取上部
37.5ml上清液备用;取现配的0.2mol/L乙酸锰酒精溶液,在70度真空烘箱中,压力值小于
500MPa时,预热5min,取先前离心后的含有海藻酸的酒精上清液37.5ml,加入预热后的乙酸锰酒精溶液中,搅拌5min,析出沉淀,取沉淀离心,冷冻干燥,500度空气烧结5h即可得到目标产物。(实施例3所得产品的纯度检测数据、循环性能检测数据、组装电池后的放电比容量如图12、图13、图14所示)
实施例4
称取0.10000g海藻酸和1.50000g乙酸锰分别在70℃下,超声溶解于50ml酒精中,将两者溶液搅拌30min(常压下1Mpa),静置,取下部沉淀离心,冷冻干燥,400度空气烧结10h即可得到目标产物。
[0025] (实施例4所得产品的纯度检测数据、循环性能检测数据、组装电池后的放电比容量如图15、图16、图17所示)实施例5
称取0.20000g海藻酸溶解于50ml酒精,70℃下超声2h, 5000rad/min离心1min,取上部
37.5ml上清液备用;取现配的0.5mol/L乙酸锰酒精溶液,在50度下,真空烘箱中压力值小于
0.01MPa中,预热1min,取先前离心后的含有海藻酸的酒精上清液37.5ml,加入预热后的乙酸锰酒精溶液中,搅拌5min,析出沉淀,取沉淀离心,冷冻干燥,500度氧气烧结5h即可得到目标产物。
[0026] (实施例5所得产品的纯度检测数据、循环性能检测数据、组装电池后的放电比容量如图18、图19、图20所示)实施例6
称取0.10000g海藻酸溶解于45ml,60度超声5min, 5000rad/min离心,取上部20.0ml上清液备用;取1.22545g乙酸锰加入50ml酒精中,加热溶解后,取先前离心后的含有海藻酸的酒精上清液20.0ml,加入乙酸锰酒精溶液中,混合搅拌4min,取沉淀离心,零下50度下,压力值小于0.01MPa时冷冻干燥,干燥后产物500度空气烧结5h,即可得到目标产物。
[0027] (实施例6所得产品的纯度检测数据、循环性能检测数据、组装电池后的放电比容量如图21、图22、图23所示)以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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