[发明专利]一种SnO2/CMK-3纳米复合锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种SnO₂/CMK-3纳米复合锂离子电池负极材料的制备方法，属于化学电源技术领域。

背景技术

当前，全球范围内对构建可持续能源体系的追求，一方面减少了对化石燃料的依赖，另一方面又能降低对温室气体排放。这些举措的战略方向是发展可持续性交通工具(如电动汽车)并提高利用太阳能和风能等可再生能源的能力。但由于生产和消费需求的间歇性，这就需要强大的蓄电能力来提高能量的利用率，而只有先进的电池技术才有望实现这种蓄电能力。与其它蓄电技术相比，锂离子电池技术具有更高的能量密度和输出电压，广泛用于便携式电子设备(如手机，电脑，数码相机等)而成为最重要的化学电源。随着通信技术，电动汽车和混合动力汽车的发展，对具有大容量、高倍率性能和良好循环稳定性的锂离子电池需求更加迫切。但是目前商用锂离子电池性能仍不能满足人们的需求。而开发具有优异性能的电极材料成为当前锂离子电池的关键性技术。

锡基负极材料作为一种合金型储锂负极材料具有相当高的比容量，是最有希望替代当前低容量碳系负极的材料之一。然而，在Li-Sn合金化/去合金化过程中发生巨大的体积变化，引起电极材料的粉化，循环性能急剧下降。制备纳米SnO₂/碳复合材料是改善其循环稳定性的有效途径。有序介孔碳本身是很好的良导体，具有较好的导电性，使其利于研究物质的电化学行为。其次，三维有序介孔结构具有高孔隙率和较大的比表面积，能够提供更多储锂位，并且可以为体积膨胀提供空间，减小体积膨胀带来的负面影响。此外，介孔碳材料具有开放性孔道结构，孔径大小比较均一，孔壁厚薄比较均匀，液体传输所受到的阻力处处相等，在大电流放电情况下离子与电子能够及时地输运。而且介孔材料晶体粒径小、结构稳定性好，可以使离子/电子传输更快，活性材料与电解液接触更充分，更高的可靠性，电池将有更高的容量和更长的循环寿命，因而有益于电化学性质的提升。

采用超声化学法将SnO₂纳米颗粒负载于有序介孔碳CMK-3的孔道中，不仅可逆容量非常高，而且可大幅度提高SnO₂材料的电化学循环性能。SnO₂/CMK-3复合负极材料初始放电容量为690mAh/g，经过35次循环后其可逆比容量仍然高达546mAh/g，而且大倍率充放电性能也非常优越。除了有序介孔碳CMK-3起到扩散壁垒的作用，缓解充放电过程中SnO₂巨大的体积变化和本身具有良好的机械性能外，还由于有序介孔碳CMK-3具有很大的比表面积，以上因素最终导致SnO₂/CMK-3复合负极材料表现出优越的电化学性能。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的是提供一种SnO₂/CMK-3纳米复合锂离子电池负极材料的制备方法；要求其提高可逆容量和电化学循环性能，同时该方法加工工艺十分简单、高效节能、无污染，无需苛刻的实验条件和复杂的技术手段，而且实验所用原料低廉、易得。

本发明的技术方案是采用共聚物P₁₂₃为模板剂、正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源，水热合成介孔分子筛SBA-15，再以SBA-15为模板、以蔗糖为碳源合成有序介孔碳材料CMK-3。采用超声化学法将SnO₂纳米颗粒负载于有序介孔碳CMK-3的孔道中，得到SnO₂/CMK-3纳米颗粒。具体步骤如下：

(1)称取一定量的模板剂P₁₂₃，在35℃下溶解于2mol/L的盐酸溶液中，后加入一定量正硅酸四乙酯(TEOS)和蒸馏水，继续搅拌5～12h，将此溶液转移至反应釜中，于120℃下水热老化24h，经水洗、过滤、烘干后，再在N₂保护下炭化，从室温升到550℃，保持温度5h，煅烧结束后自然降温至室温，便得到SBA-15。

(2)称取一定量步骤(1)中制得的SBA-15加入到含有一定量蔗糖、浓硫酸、蒸馏水的溶液中，在100℃和160℃分别加热6h，待冷却后再加入一定量的蔗糖、浓硫酸和蒸馏水，继续在100℃和160℃分别加热6h，然后在N₂保护中877℃下炭化。待炭化结束研磨后，用5％的HF溶液去除模板，并用蒸馏水洗涤，120℃下烘干。最后，将烘干后的样品加入到1mol/L的浓硫酸溶液中回流，在80℃下放置3h，随后水洗烘干，即可得到有序介孔碳CMK-3。