[发明专利]一种锡碳纳米复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锡碳纳米复合电极材料的制备方法，制备所得的锡碳纳米复合电极材料可以用作锂离子电池的负极。

背景技术

锂离子电池是便携式消费类电子产品和包括电动汽车在内的新能源产业的关键储能器件，其性能和电极材料密切相关。目前，商业化锂离子电池负极材料普遍采用碳材料,但因其理论比容量只有372mAh/g，限制了锂离子电池比容量的进一步提高，不能满足日益发展的高能量储能系统的需求；并且碳材料在电解质中化学稳定性较差，存在着安全隐患。为了克服碳材料的缺点，人们主要在两个方面寻找改进方案，一是通过各种物理和化学手段对碳材料进行改性，提高其电化学性能；另一途径则是寻找可以替代碳材料的新型负极材料体系。

锡基负极材料是一类容量高(理论比容量为993mAh/g)和安全性好的新型负极材料，已成为锂离子电池负极材料的研究热点之一。但是，该负极材料也存在两个主要问题，一是首次不可逆容量大，即首次充放电效率低；二是在脱/嵌锂过程中体积变化较大，可达原体积的300%，易产生碎裂或粉化，使活性材料颗粒之间和活性材料与导电集流体之间的导电性显著降低，从而使电极的寿命急速衰减，导致循环稳定性差，因此一直未能大规模实用化。

目前，已有的研究工作表明，通过减小材料晶粒尺寸，特别是将材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度上，可以得到较好的循环性能。其原因在于纳米晶粒单个粒子的绝对体积变化相对较小，从而产生的总应变减小，在循环过程中材料结构足以承受较大的应力，使材料碎裂而粉化的倾向减小。

人们经过分析研究，发现将纳米金属锡颗粒分散在碳基体中制备锡/碳纳米复合材料，一方面可以改善其力学性能，另一方面也可以缓解体积膨胀，进而提高其电化学循环稳定性。利用碳材料的良好循环性能和金属锡的高容量特性，优势互补，从而提高材料的综合性能。碳基体不仅能在锡颗粒间提供导电通道，而且还可以增加储锂容量。

锡/碳纳米复合材料的电化学性能和材料颗粒尺寸、在碳层中的分布情况及制备工艺密切相关。尤其是制备工艺，近年来，已出现了很多种不同的制备方法。如化学还原法、磁控喷射法、纺丝法、化学气相沉积法、球磨法等。其中化学还原法由于容易掺杂，而且颗粒尺寸易控，因而最为常用。

文献1（J. Hassoun, G. Derrien, S. Panero, B. Scrosati. A Nanostructured Sn–C Composite Lithium Battery Electrode with Unique Stability High Electrochemical Performance [J]. Adv. Mater. Adv. Mater., 2008, 20:3169–3175.）中记载，Derrien 等人通过将一种有机锡(TBPT)渗入到酚醛树脂空隙中形成前驱体，然后再在氩气气氛下碳化得到了Sn-C样品。其中，纳米Sn颗粒均匀的分散于无定型碳基体中，纳米锡颗粒粒径在30nm左右，并且在经过上百次的高倍率充放电之后，其容量依然保持在450mAh/g左右。

文献1中的技术采用湿化学法（溶胶凝胶法）合成了Sn-C纳米复合物。选用TBPT作为有机锡源，由于此原料不易购买且价格较贵，致使最终的技术成本提高；另外，整个实验过程：（1）采用间苯二酚和甲醛溶液为原料合成酚醛树脂溶胶体，经高温碳化后得到碳源；（2）利用有机锡源渗入碳基体的方法得到Sn-C前驱体；（3）750℃下热处理前躯体1h得到最终产物—Sn-C纳米复合材料。显然，该技术中的整个合成步骤较复杂，不易操作，且成本较高。