[发明专利]用于锂电池的二氧化锡纳米线阵列电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池技术领域的电极的制备方法，特别是涉及一种用于锂电池的二氧化锡纳米线阵列电极的制备方法。

背景技术

锂电池具有非常高的比能量密度和充放电次数，是移动电话、笔记本电脑、便携摄像机、环保电动助力车等移动电子设备的最佳电力来源。目前锂电池采用中间相炭微球(MCMB)作为主要的电极材料，这种电极存在的主要问题是比容量不高(低于300mAh·g^-1)，首次循环效率偏低。尤其需要在2800℃高温下对中间相沥青炭微球进行石墨化处理，工艺条件复杂，成本很高，不利于进一步的发展和推广。高比容量和长循环寿命的新型电极材料是目前锂离子电池的研究热点。其中，锡氧化物因具有低插锂电势和高比容量的优点备受研究者青睐，被认为是锂离子电池中碳负极材料最有希望的替代物。目前研究较多的基于二氧化锡薄膜的电极材料在充放电过程中体积变化比较大，在锂的可逆嵌入和脱嵌过程中，二氧化锡粒子易发生粉化，结构受到破坏，导致容量迅速下降。为提高其嵌锂性能，比较有效的方法是采用一维纳米材料，一维纳米结构具有比表面积高、锂离子嵌脱深度小和行程短等特点，使得电极在大电流充放电过程中极化程度小、可逆容量高、循环寿命长，解决了二氧化锡薄膜电极捕获到的电荷少、比能量密度不高的问题。同时，高比表面积也有利于缓冲充放电过程中体积的变化，而表面效应有利于更多的锂嵌入。

经对现有技术的文献检索发现，Li NaiChao等在《Journal of Powers》(电源技术)2001年91-98卷240到243页上发表了“Nanomaterial-based Li-ionbattery electrodes”(基于纳米材料的锂电池电极)，该文中提出可采用二氧化锡纳米纤维作为锂电池负极材料，具体为：采用在铂衬底上粘附有机多孔薄膜作为模板，溶液法生长二氧化锡纳米纤维，然后去除模板将长有纳米纤维的衬底作为锂电池的负极材料。其不足之处在于：采用这种方法制备的纳米二氧化锡线短，不超过50nm，吸附的电荷不够多；且该法是直接的二氧化锡纳米粒子堆砌而成的纳米线，强度不高，在多次充放电的过程中纳米线容易断开，导致电极性能降低很快。Min-Sik Park等在《Angewandte Chemie-International Edition》(应用化学-国际版)2007年46卷750到753页上发表的“Preparation andElectrochemical Properties of SnO₂Nanowires for Application inLithium-Ion Batteries”(锂电池二氧化锡纳米线电极的制备和电化学性质)，该文中提出采用在硅片衬底上生长二氧化锡纳米线作为锂电池负极材料，具体采用930℃热蒸发的方法在管式炉中以气液固(VLS)机理在硅片上生长二氧化锡纳米线。其不足在于：该方法生长的二氧化锡纳米线随机排列，埋伏在下面的二氧化锡纳米线无法用于锂离子的脱嵌；因纳米线没有呈现理想中的阵列排布，该方法制备的纳米线也部分存在二氧化锡薄膜电极存在的充放电过程中体积胀大易脱落的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于锂电池的二氧化锡纳米线阵列电极的制备方法，使其解决因二氧化锡纳米线电极中纳米线长度较短、排列无序导致电池首次充放电效率不高的问题。本发明首次提出使用IV～VI族单体作为生长方向诱导试剂，使纳米线以气液固(VLS)机制在表面能较高的(001)面优先呈阵列生长，从而得到规则、有序、较长的二氧化锡纳米线阵列。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明以锡粉为原料、IV～VI族单体作为纳米线生长方向诱导剂，以贵金属作为催化剂，在800～1300℃范围内，常压下热蒸发，在硅基底上得到二氧化锡纳米线阵列。

本发明包括以下步骤：

第一步，前期准备

将锡粉放入陶瓷舟中，陶瓷舟置入第二管式炉的中部。溅射有贵金属金(Au)催化剂的硅片放置在距陶瓷舟1～3cm处，将另一或多种IV～VI族的单体作为生长方向诱导试剂放入另一陶瓷舟，将这一陶瓷舟放入第一管式炉中部，两管式炉用乳胶管连接，持续通入惰性气体，尾部用去离子水封闭气体出口以确保反应系统与外部气体隔离；

第二步，热蒸发生长二氧化锡纳米线