[发明专利]一种蛋状双碳壳层锡基锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种蛋状双碳壳层锡基锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于高比能量和持久稳定等性能优势将成为电动汽车的主要搭载电源，以锂离子电池为代表的化学储能技术也正在积极投入研发。目前商用的锂离子电池负极材料为石墨类碳材料，但它的理论容量仅为372mAh/g；此外，这种材料的嵌锂电位主要集中在0-0.1V(vs.Li/Li+)范围内，非常接近金属锂的沉积电势，不利于电池的安全性。为满足高容量锂离子电池的需求，研究开发高比容量、安全性能可靠的锂离子电池电极材料是非常迫切和必要的。

在目前研究的锂离子电池负极材料中，锡基材料越来越受到关注，因其理论储锂容量为1494mAh/g，接近碳负极材料的十倍，是目前发现理论容量最高的负极材料；另外，这种材料的嵌锂电位0.85V(vs.Li/Li+)较为安全，并且在地球中含量丰富，使其在锂电负极材料方面具有非常大的潜力。然而由锡基负极在充放电过程中伴随着严重的体积效应(体积膨胀和收缩的变化率>250％)，这容易造成电极上活性物质粉化脱落，导致锂离子电池容量衰减，从而影响电极的循环稳定性。

为尝试解决这个问题，制备不同形貌的纳米SnO₂以及锡基复合材料已成为人们研究的重点，其中锡基复合材料的主要研究思路是将锡与其它金属形成合金材料(如SiSn，SnAg，SnZn)，也可将锡均匀分散到其他活性或非活性材料中形成复合材料(如Sn-C、Sn-FeSn₂-C、Sn-Cu-C等)，或在锡外面包覆一层导电性好的材料(如Sn@C、Sn@Ge等)。上述几种方式都可以一定程度上缓解锡基的体积效应，也可以在一定程度上改善电池的循环性能和容量衰减，但其机理都是锡与其他金属的物理复合或在二氧化锡表面进行改性包覆，不能从根本上抑制充放电过程中的体积效应，因此，在经过多次循环后，循环性能逐渐变差，容量又将继续衰减。

近年来，单壳层碳包二氧化锡锂离子负极材料(L.Zhang et al.Advanced Materials 25(2013)2589-2593等)已被国内外广泛报道并显示出良好的电化学性能和循环稳定性，在这种材料中，纳米二氧化锡球核是主要的活性物质，外面的单层碳核是一层具有高导电性的约束层，在核壳之间的空间则为纳米二氧化锡球核在脱嵌过程中产生的体积变化提供了缓冲空间。但是，在这种材料中，碳壳占到复合材料总质量的30-50wt％，却仅仅作为外层的包覆壳层被处理，很少有人把它们的电化学性质纳入考虑，更少有人从碳壳的角度考虑提高此材料的电化学性能的方法。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提供一种蛋状双碳壳层锡基锂离子电池负极材料及其制备方法，其制备得到的锂离子电池负极材料为蛋壳状双层碳包二氧化锡纳米复合材料，通过包括多孔二氧化锡球核和包覆在多孔二氧化锡球核表面的双层碳壳，且在所述双层碳壳的内层和所述多孔二氧化锡球核之间存在中空层，使得该结构的纳米复合材料中，多孔二氧化锡球核缩短了锂离子扩散路程，有效抑制内部纳米二氧化锡球核的体积效应；包覆在多孔二氧化锡球核表面的双层碳壳可以增加碳与锂离子的反应位点，进一步增加复合材料的比容量；中空层可以有效缓冲二氧化锡在充放电过程中的体积变化。即本发明提供了一种纳米量级，导电性能好，并可有效抑制二氧化锡的体积效应的锡基锂离子电池负极材料及其制备方法。

本发明提出的一种蛋状双碳壳层锡基锂离子电池负极材料，所述锂电池负极材料为蛋壳状双层碳包二氧化锡纳米复合材料，其包括多孔二氧化锡球核和包覆在多孔二氧化锡球核表面的双层碳壳，在所述双层碳壳的内层和所述多孔二氧化锡球核之间存在中空层。

优选地，所述蛋壳状双层碳包二氧化锡纳米复合材料的粒径为150-300nm，所述多孔二氧化锡球核的粒径为100-200nm，所述中空层的中空距离为20-80nm。

优选地，所述碳壳的单层厚度为5-20nm，所述碳壳为有机物经缩聚、碳化后形成的碳包覆层。

本发明还提出了一种所述蛋状双碳壳层锡基锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、采用水热反应法制备出多孔二氧化锡球后，再采用表面活性剂软模板法制备出蛋壳状二氧化硅包覆多孔二氧化锡球纳米复合材料；