[发明专利]石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料领域，具体涉及一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料，以及这种材料的制备方法。

背景技术

近年来，国内锂电池产业经过不断的发展与积累已经形成一条较为完整的产业链，包括上游的锂矿资源、中游的锂电池材料以及下游的电池生产。目前我国已是全球最大的锂离子电池制造基地，产量已占全球30％以上。但整体还处于产业链低端，高端动力和储能电池差距较大，是制约我国电动汽车发展的瓶颈。锂离子电池在安全性、续航能力、使用寿命、成本、使用便利性等方面需要继续提高和改进。

随着移动设备、电动工具、储能等的高速发展，全球对锂离子电池的需求随之增长迅速，并带动了锂离子产业规模的发展。预计今后5年锂离子电池市场需求仍会以接近50％的年均复合增长率高速成长，到2018年全球需求总量将超过38500万kWh，是2013年的7倍以上，超越铅酸电池成为用量最大的二次电池产品。在产业规模方面，2005-2013年，全球锂电池市场规模从56亿美元增长到141亿美元，复合年增长率12.1％，预计2022年市场规模将422亿美元，未来十年复合年增长率预计为12.9％。我国的锂离子电池产业近些年来发展迅速。2013年，我国的锂离子电池年产量已达到47.68亿只。近年因消费类电子产品市场趋于饱和，锂离子电池需求的增幅将会持续下降。而在电动汽车领域锂离子电池市场将进入飞速发展的阶段。因此，电池电极对石墨的需求大致会经历一个“V”字型过程。未来锂离子电池市场需求高速增长的动力主要来自交通工具及工业储能领域。电子市场的石墨消费量在趋于饱和状态后呈下降态势，到2020年电子产品市场石墨消费量约为2.4万t。而交通工具领域消费则快速增长。基于新能源汽车规划生产能力，预计到2020年电动汽车产量将达到140万辆左右，交通工具领域石墨的需求量将达到6.5万。随着中国电动汽车销量的大幅增长，锂离子电池市场正开始进入黄金期。到2017年，锂离子电池产业规模将暴增400％。

对于锂电池而言，电极材料是决定其能量密度的关键因素。目前锂电池负极材料的主要种类有天然石墨(59％)，人造石墨(30％)，中间相炭微球(8％)及其他类型(3％)，石墨类负极材料仍然占据主流地位。由于现有技术限制，当前主流负极材料(如人造石墨、中间相碳微球等)并不能大幅提高锂电池能量密度，负极材料市场急需高效的新型材料。目前研究的锂离子电池非碳基负极材料主要有锡基、硅基以及过渡金属类为主的电极材料，这类材料具有高理论容量，但其缺点是在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显，材料的内应力大，在反复充放电后材料易发生破裂，从集流体上脱落，活性物质含量下降，从而导致材料的循环性能变差。

近年来石墨烯等新型负极材料的研发与应用，开始受到业内的关注。石墨烯是一种新型材料，是已知材料中最薄的一种。由于它的电阻率低，电子迁移的速度极快，表面积大和电性能良好，被科学家认为是锂离子电池的理想电极材料。CN104143631A公开了本发明涉及一种石墨烯气凝胶负载二氧化锡复合材料的制备方法。属锂离子电池电极材料技术领域。本发明方法的主要过程和步骤如下：将质量比为2:1-1:3氧化石墨烯和水溶性锡盐搅拌、超声，加入0.1-2mL有机胺溶液转入水热釜，80℃-180℃下保持6-24h，然后取出圆柱状产物、冷冻干燥即得到石墨烯气凝胶负载二氧化锡复合材料。本发明得到的石墨烯气凝胶负载二氧化锡复合材料，薄层石墨烯交错连接，形成微米级孔道，石墨烯的表面均匀负载3-6nm的二氧化锡颗粒。由于石墨烯片层极易聚集堆积成多层结构，从而丧失了其因高比表面积而具有的高储锂空间的优势，并且纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差。通过化学还原法获得的石墨烯在溶剂中易团聚，导致片层的层数增加、这种致密堆积的厚石墨烯片层妨碍了锂离子的扩散作用，造成嵌锂/脱锂过程中的迟滞现象。同时化学还原法不能完全去除石墨烯表面的含氧基团，这些基团的存在会导致材料的比容量降低。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有石墨烯电极材料在制备过程中容易聚集堆积成多层结构导致其比容量下降的问题，进而提供一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料的制备方法，可以有效避免石墨烯聚集堆积问题，掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料能够有效提高电极的比容量和导电性能，改善材料的倍率充电和循环性能。

一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料的制备方法，包括下述步骤：