正极材料前驱体碳酸锰的合成、结构及理化性能

正极材料前驱体碳酸锰的合成、结构及理化性能

向寺玉

向寺玉

湖北工程学院新技术学院423000

摘要：纳米材料由于其独特的性能被广泛应用于光、电和催化高新技术等领域。本文以醋酸锰为主原料，碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸氢钠为沉淀剂，十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，正丁醇为助表面活性剂，环己烷、正庚烷为油相。以微乳液法制备碳酸锰，利用扫描电子显微镜（SEM），X射线衍射仪(XRD)，傅里叶红外光谱仪(FTIR)等仪器对MnCO3前驱体微粒的形貌和晶体结构特征进行了分析。同时对Mn2O3进行形貌及晶体结构的分析。实验得到规则立方体的MnCO3颗粒，而且粒度均匀。

关键词：碳酸锰；微乳法；前驱体;形态；晶体结构。

1.纳米材料的发展

纳米科学[1]是20世纪80年代末90年代初发展起来的的一门新的高科技前沿交叉学科，它是光体系物理和量子力学等现代学科的融合体，同时，它还与计算机、扫描电镜等先进科学技术相结合。在纳米尺寸的研究上，原子和分子的行为与规律都是自然界的现象，通过对原子和分子的行为与规律的深入研究，由此制造出满足人类需求的性能独特的产品。

纳米材料是一种尺寸大小在1～100nm的材料[3]，根据其在三维空间上尺寸大小可以分为三类[2]，即零维(如：纳米颗粒，)；一维(如：纳米纤维)；二维(如超晶格、石墨烯)。

因为纳米材料在结构上具有特殊的性质。所以，纳米材料的各种特殊功能是由纳米材料独特的效应所衍生出的。其独特的效应包括有比较小的几何尺寸、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。由于纳米材料的几何尺寸小，所以对纳米材料的特殊性能的研究，让大家对量子力学规律有了更加深刻的认识，通过对量子力学规律的研究让人们对物质世界的认识进一步加深。

纳米材料科学发展至今,已经取得了非常好的成绩，不过还是有不少的难以突破的难点需要突破。现今，已报道了多种方法合成各类结构与形貌的纳米材料,主要有微乳法、气相法、模板法、固相法、离子交换树脂法等[4]。微乳法是一种比较普遍实用的方法，同时也是近些年来发展制备晶体形貌调控的最常用的一种方法。与其它制备方法相比较，运用微乳液法制备出的颗粒发生团聚可能性非常小，颗粒的大小也可以得到很好的控制，分散性好，不仅如此，制作工艺和制作设备简单，非常容易理解和操作，是一种很有发展前途的纳米粒子制备方法。

2、MnCO3微粒的主要制备方法

目前，MnCO3微粒的制备方法主要运用化学方法。化学法制备MnCO3微粒的方法有：微乳液法、气相法、水热法、模板合成法、溶胶—凝胶法。其优点是形貌粒径易控制、成本低。

3、制备MnCO3微粒最佳的方法

模板法可以制备所有的纳米材料，但是制备或者生产技术成本较高，工业应用价值优势小，不能实现特定结构纳米材料的规模化生产及应用；气相法对于制备纳米薄，膜材料最合适；水热法要求在高温高压的水溶液中发生氧化反应，条件要求比较高，因此，制备MnCO3前驱体晶体的最佳方法是微乳法微乳法是一种对产品形貌调控、快捷、经济的制备方法，是纳米科技合成领域未来的发展方向，是制备

MnCO3前驱体晶体的最佳方法。

4、MnCO3前驱体的应用

MnCO3是锂离子电池的正极材料前驱体主要原料之一,以MnCO3为前驱物制备的锰酸锂或镍锰酸锂的纳米材料具有工作电压高，放电容量大等优点，同时碳酸锰还有原料来源广泛，成本低，无污染和安全性能好等特点。

碳酸锰的用途广泛[18]，碳酸锰是生产软磁铁氧体的主要原料；是其他锰盐的制造来源；是锰铝合金和锰硅合金的生产原料；也可以制作肥料和饲料添加剂、油漆催干剂、电焊条的辅料和制药，也可以作为涂料和油漆用的颜料。

近年来，模板制备的有序壳结构材料形成的微胶囊在生物、制药等领域中应用研究成为了一个热点。碳酸锰模板被认为在制备、价格等方面均具有明显的优势。高性能的碳酸锰是制备锂离子电池的新型纳米材料α-LiNixMn2-xO4的基本原料之一。

5、MnCO3前驱体的国内外研究现状

锂离子电池具有能量密集度高、工作电压高和稳定性良好等优点，作为锂离子电池的重要部分，正极材料成为了国内外储能材料领域研究与发展的主要方向。以MnCO3为前驱物制备的锰酸锂或镍锰酸锂做电池的正极材料制作的锂离子电池具有工作电压高，放电容量大等优点，因此以MnCO3作为锂离子正极材料的研究成为了国内外的研究热点之一。

目前，锰酸锂或镍锰酸锂做电池的正极材料已成为做电池研究的一个重点。锰酸锂的比容量大概在190mAh?g-1左右(比从Mn3+到Mn4+所体现的容量要大)，在循环不断进行的过程中，锰酸锂的比容量会有少量容量衰减，Mn在这些材料当中主要起稳定结构的作用。虽然尖晶石型锰酸锂与钴酸锂的比容量相比，尖晶石型锰酸锂的比容量比钴酸锂少10%左右，而且它在成本和环保方面均有显著优势，一直以来都被认为是一种有潜力的正极材料。

6、本课题研究的意义

材料的性能与其组成成分、晶体结构、形貌以及粒径等因素至关重要。用其他的方法所制备出的纳米材料，其形貌和粒径都会随着晶体结构和其组成成分的改变而出现转变，众所周知，晶体生长导致晶体的产生，晶体的微观结构决定了晶体所具有的物理或者化学性质，由于晶体具有一定形貌，而晶体形貌决定了晶面结构，从而晶体具有了附加的性质。本实验研究了两种不同的溶剂对晶体的形貌结构的影响。

参考文献

[1]吴天成，杜仲良，高绪珊.纳米纤维[M].北京：化学工业出版社，2003,45-52.

[2]张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京：科学出版社，2001,26-35.

[3]黄志强，李礼夫.基于HEV的磷酸铁锂电池剩余电量计量方法的研究[J].电一体化技术，2012,41(05)：41-45.