[发明专利]蛋黄-壳结构二氧化锡-氮掺杂碳材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料领域，特别是涉及一种蛋黄-壳结构二氧化锡-氮掺杂碳材料及其制备方法，该材料组成可写成SnO2@void@N-C，该蛋黄-壳结构SnO2@void@N-C材料适用作锂离子电池负极材料。

背景技术

SnO₂作为锂离子电池负极材料具有比容量高（理论比容量790 mAh·g^-1）和放电电压低（＜1.5 V）等优点，引起了人们的广泛关注。但SnO₂在充放电过程中体积变化大（＞200%），如此大的体积膨胀易导致材料的粉化并与集流体脱离，从而降低其循环稳定性。制备不同形貌的纳米SnO₂及SnO₂/C复合材料是解决上述问题的主要手段。

在文献(1) Advanced Materials, 2009, 21: 2536-2539中，Xiong Wen Lou等人在SiO₂球表面包覆SnO₂，然后通过水热反应再在其表面包覆一层葡萄糖，将包覆的葡萄糖层高温碳化后用NaOH溶液刻蚀SiO₂，从而获得了碳包覆SnO₂空心球。SnO₂空心球为SnO₂体积膨胀提供了一定缓冲空间，该材料具有优良的倍率性能及循环稳定性。但该材料中碳层紧紧包覆在SnO₂空心球的外层，SnO₂向外体积膨胀易造成碳层的破损。

在文献(2) Journal of Power Sources, 2012, 216: 475-481中，Xuecheng Chen等人首先制备了具有介孔结构的空心碳球，然后将其与SnCl₂·2H₂O和浓盐酸混合在100^oC加热处理，使SnCl₂浸入空心碳球内部，然后在400^oC焙烧，形成核壳结构的SnO2@C球，具有良好的倍率性能及循环稳定性。但从电镜照片看，不仅空心碳球内部有SnO₂纳米颗粒，碳球外表面也有SnO₂纳米颗粒，另外，碳球内部有数个SnO₂纳米颗粒，在充放电过程中易团聚，造成结构稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蛋黄-壳结构二氧化锡-氮掺杂碳材料及其制备方法，该材料组成可写成SnO2@void@N-C；多孔SnO₂核缩短了锂离子扩散路程，SnO₂核与碳层之间的空隙可以有效缓冲SnO₂在充放电过程中的体积变化，氮掺杂碳N-C可以有效提高材料的导电性，因此该材料具有优异的电化学循环稳定性。

本发明蛋黄-壳结构SnO₂@void@N-C材料以多孔亚微米二氧化锡SnO₂为核，直径为200～400纳米；氮掺杂碳N-C为壳，壳厚度为15～20纳米，空腔内径为300～500纳米，N-C壳中，N元素的质量分数为8%～12%。

直径为200～400 nm的多孔二氧化锡SnO₂为核，可以缩短锂离子的扩散路程；氮掺杂碳N-C为壳，可以提高碳材料的导电性；SnO₂核与氮掺杂碳N-C壳之间的空腔可以有效缓冲SnO₂在充放电过程中的体积变化。该材料作为锂离子电池负极材料具有优良的电化学循环稳定性。

本发明蛋黄-壳结构SnO₂@void@N-C的制备方法的工艺流程示意图如图1所示：首先在SnO₂空心球表面包覆一层SiO₂，然后通过多巴胺自聚在SnO₂@SiO₂球表面包覆一层聚多巴胺，再通过高温煅烧使多巴胺碳化，最后用HF酸将SiO₂刻蚀掉，即可得到蛋黄-壳结构SnO₂@void@N-C。具体工艺步骤如下：