[发明专利]一种用于锂离子电池的一维壳核结构材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料制备领域，更具体涉及一种用于锂离子电池的微纳石墨烯修饰的锡碳/ Ti₂O-B一维壳核结构材料及其制备方法。 

背景技术

自从上世纪90年代锂离子电池问世以来，它作为第三代可充电电池已展现出比能量大、循环性能好、工作电压高、寿命长和污染小等优异性能而倍受关注，并广泛应用于各种轻型便携设备中，在二次电池中具有举足轻重的地位。然而，近年来，伴随着电动车的出现，对大功率、高容量二次电池需求加剧，传统锂离子电池已不能满足大型动力电池的要求，因此探索新型高性能锂离子电池电极材料已成为开发高性能锂离子电池研究的热点之一。

为了满足市场对于二次电池高能量密度的需求，国内外相关专家和学者都在不断努力探索新型电极材料或新结构电极材料。自从1997年Idota等人报道了一种称之为锡基复合氧化物(TCO)性能优异的锂离子电池负极材料以来，锡基材料引起了国内外电化学工作者极大的兴趣。然而，对于包括SnO₂和Sn在内的多数锡基材料存在多方面问题亟待解决，如循环稳定性差、初次不可逆容量过大、工艺灵活性差和重复困难等缺陷。德国Maier课题组采用双针头同轴静电纺丝技术并辅以其H₂/Ar下热处理制作出了碳管封套SnCarbon纳米颗粒的一维结构，获得了较高可逆存储容量，并有效减小初次不可逆容量，但是，由于他们工艺本身限制，无法对电极材料成份进行有效调控。此外，新加坡Lou课题组采用水热法制备出了具有较高一致性的SnO₂Carbon core/shell结构纳米球, 有效改善了SnO₂的充放电循环性能，但对于如何人为设计其成份和结构、优化或提高电极材料中锂离子和电子传输性能，并有效发挥纳米复合材料中各成份在锂嵌脱过程中的协同作用以实现包覆或掺杂后整体性能提高等方面都有待进一步研究。在国内，也有多家单位在锂离子电池电极材料领域做了系统深入的研究工作，例如他们通过碳或其它物质分散或包覆方式明显改善了锡基材料的电化学性能。

然而，要进一步提高锡基材料的电化学性能，必须做到实现对锡基材料的结构及成份的设计和优化，这将要求做到：(1)要求找到能将锡基材料有效分散开来的材料，一般采用碳；(2)要提高锂离子及电子在锡基复合材料中的传输能力；(3)工艺灵活多样，可有效设计、调节锡基复合电极材料的成份和结构，且不存在工艺不兼容的问题。 

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种用于锂离子电池的微纳石墨烯修饰的锡碳/ Ti₂O-B一维壳核结构材料及其制备方法。该方法可以充分利用锡材料在锂离子电池方面的优良特性，制备以锡纳米颗粒为主要充放电材料的锂离子电池负极材料；克服锡纳米颗粒在充放电过程中形变破裂甚至脱离而导致的电极材料导电性差的弊端；制备一种具有较高锂存储容量、循环稳定性和较低的不可逆容量的一维壳核结构材料。

本发明是通过如下技术手段实施的：

一种用于锂离子电池的一维壳核结构材料，是由微纳结构的石墨烯片修饰的锡碳/ Ti₂O-B一维壳核结构材料，该一维壳核结构由内向外分别是由支撑体（1）、连接层（2）、充放电结构层（3）、保护层（4）构成的纳米线结构。

所述支撑体（1） 为H₂Ti₃O₇纳米线或纳米管，所述连接层（2）成分为高分散性微纳结构的石墨烯片—富碳多糖膜。

所述充放电结构层（3）为富碳多糖膜中嵌入高分散性微纳结构的石墨烯片和SnO₂纳米颗粒的结构，所述保护层（4）成分为高分散性微纳结构的石墨烯片—富碳多糖膜。

所述高分散性微纳结构的的石墨烯片的尺寸小于100nm。

所述制备方法包括如下步骤：

1）采用改进的Hummer工艺，结合球磨、超声、离心分离及微孔真空抽滤工艺，制备高分散性微纳结构的石墨烯片；

2）采用强碱水热法制备H₂Ti₃O₇纳米线或纳米管；

3）将步骤1）得到的高分散性微纳结构的石墨烯片和步骤2）得到的H₂Ti₃O₇纳米线或纳米管，通过葡萄糖水热法在支撑体（1）上包覆连接层（2），形成单层壳核结构材料；