[发明专利]锡颗粒-聚吡咯核壳纳米复合材料的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机-无机纳米复合材料的制备和应用，即金属颗粒-有机聚合物纳米复合材料的制备和应用。

背景技术

随着电子和信息产业的迅速发展，特别是微电子机械系统、便携式电子设备如笔记本电脑、移动电话等，以及电动车行业的发展，锂离子电池朝着微型化、大功率的方向发展，特别对锂离子电池的电极材料提出了更高的要求。以石墨（理论容量372mAh·g^-1）作为负极的锂离子电池已经不能满足其容量需求。因此高容量和循环性能良好的锂离子电池变得尤为重要。众所周知锂离子电池负极材料对与电池的性能起至关重要的作用，因此研究具有高能量密度和良好循环性能的锂离子电池负极材料具有重要的意义。

新一代的锂离子电池负极材料包含有硅（Si），金属氧化物，金属单质，金属合金等。在众多新材料中金属锡（Sn）由于其较低的成本和较高的理论储锂容量（其质量比容量为993mAh·g^-1，体积比容量为7237Ah·L^-1）成为研究热点。

虽然锡基负极材料具有较高的理论容量，但是当它作为锂离子电池负极材料时，在电池充放电过程中，会有巨大的体积膨胀，伴随而来的是负极材料的粉化和电池容量的急剧下降，电池的循环寿命很短。

减小负极材料锡的尺寸，例如将锡做成纳米级别的颗粒，可以缓解体积膨胀，达到改善其循环性能的目的。但是当物质的尺寸减小到纳米级别时会发生颗粒之间的团聚。为了进一步提高循环性能，在纳米级别的金属锡颗粒的外表面包覆一层有机聚合物，用以阻止锡颗粒的团聚。聚吡咯（PPy）为黑色、不溶、不熔、导电的聚合物，具有高的电导率和好的电化学稳定性，而且包覆方法简单，容易实现。

核壳材料具有双层或多层结构,其内部和外部分别富集不同成分，使得核与壳的功能实现复合与互补,从而可以调制出有别于核或壳本身性能的新型功能材料，设计和构筑具有核壳结构的纳米复合材料是近年来材料科学的前沿领域。

发明内容

本发明提供了一种聚合物包覆锡纳米颗粒的方法。以购买的锡纳米颗粒为基体，以吡咯（pyrrole）为单体进行化学原位聚合制得锡颗粒-聚吡咯核壳纳米复合材料。

本发明的技术方案如下：

锡颗粒-聚吡咯核壳纳米复合材料的制备方法，步骤如下：

1）称取表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）5-10mg溶解于30ml去离子水，形成溶液；称取0.03g纳米颗粒加入到上述溶液中，超声分散，使颗粒充分分散在溶液中，并在室温下机械搅拌得到溶液A；

2）分别按照吡咯：锡颗粒摩尔比为1:1～3取吡咯单体（pyrrole）加到溶液A中，室温下机械搅拌，形成溶液B；

3）按照吡咯单体：过硫酸铵摩尔比为1:1分别称取过硫酸铵溶解于5ml去离子水中形成溶液，将此过硫酸铵溶液分别加入溶液B中，机械搅拌并在冰水条件下反应；

4）待反应结束，将溶液静止，然后进行离心分离；分别用去离子水和无水乙醇清洗杂质，最后得到黑色颗粒。

优选锡纳米颗粒和吡咯单体的摩尔比为2:1。

本发明所制备的锡颗粒-聚吡咯核壳纳米复合材料，尺寸在100-150nm之间，聚合物膜包覆均匀，分散性也较好，实验方法简单，实验条件易达到。该复合材料可应用于锂离子电池的负极材料。

附图说明

图1为实施例1制备锡颗粒-聚吡咯核壳纳米复合材料样品的透射电镜图片。

图2为实施例2制备锡颗粒-聚吡咯核壳纳米复合材料样品的透射电镜图片。

图3为实施例3制备锡颗粒-聚吡咯核壳纳米复合材料样品的透射电镜图片。

具体实施方式

本发明实施例中所用的原料均为市购产品，纯度为分析纯。

本发明制备的锡纳米颗粒的形貌通过透射电子显微镜照片(TEM)显示,采用日本JEOL型透射电子显微镜。

各实施例中的吡咯单体与锡颗粒的比值以及吡咯单体和过硫酸铵的比值均为摩尔比，各实施例中的数值都是经过计算得到的。

实施例1:

1）取30ml去离子水于烧杯中，称取5mg十二烷基硫酸钠（SDS）加入其中，搅拌溶解，然后称取0.03g锡纳米颗粒，加到上述溶液中。将烧杯放在超声分散仪器中进行超声分散10分钟，使锡纳米颗粒充分分散在溶液中。再将烧杯放在磁力搅拌器上，室温下磁力搅拌1小时，使得SDS与锡纳米颗粒充分混合，得到溶液A。