[发明专利]一种用于锂电池的氮掺杂锡/铜多孔负极材料及制备方法

说明书

本发明提出一种用于锂电池的氮掺杂锡/铜多孔负极材料及制备方法，该材料是使用单水硫酸四氨合铜晶体与纳米锡粉低温混熔后，在H₂/甲烷混合气氛下进行微波冷等离子体烧结，烧结温度控制在700‑750℃，通过熔融锡包覆的硫酸四氨合铜在高温下裂解，在复合过程中放出大量气体，形成多孔铜/锡合金，并通过烧结过程中释放的富氮氛围，电离后对外层包覆的锡进行掺杂处理，以及电离的甲烷气体分解，对金属骨架材料进行碳包覆。此方法形成的多孔结构和良好导电能力的孔壁，使得其可以有效改善电子传输通道和提高电子迁移率，并且N掺杂的多孔结构可以有效控制充放电过程中的体积形变。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种用于锂电池的氮掺杂锡/铜多孔负极材料及制备方法。

背景技术

近年来人们致力于研发高性能的锂离子二次电池，以适应各种便携式电子产品和通讯工具中的广泛应用，并被逐步应用于电动汽车的动力电源。负极材料作为锂电池重要组成材料之一，在提高电池的容量以及循环性能方面起到了重要作用，处于锂电池产业中游的核心环节。

锂离子电池负极材料是锂离子电池的重要组成部分，负极材料的组成和结构对锂离子电池的电化学性能具有决定性的影响。从锂离子电池的发展简史看，负极材料的发展促使锂离子电池进入商业化阶段。最初的锂电池采用的是金属锂为负极材料，但金属锂在充放电时容易产生锂枝晶而导致起火或爆炸等安全性问题。接着开发了锂合金材料解决了上述的安全性问题，但合金材料在嵌锂和脱锂时容易发生体积膨胀，导致循环性能下降。后来经过进一步的研究和比较，选择了石墨化的碳作为锂离子电池的商业化负极材料。商品化锂离子电池石墨负极理论比容量为372mah/g，而安全性较差的金属锂理论比容量为3860mah/g，可见，锂电池在材料选择上为了保证安全性而降低了放电容量。但是石墨碳存在比容量低和倍率性能差等特点，因而锂离子电池的负极材料开发仍然是目前的科研热点。

为了进一步提高负极比容量和倍率性能，锡基负极开始逐渐得到重视。锡基合金材料一般是指锡和一种或两种不与锂反应的金属形成的复合物。其他金属一般起缓冲体积变化的作用。与单纯的锡相比，锡合金能够在一定程度上改善其循环性能，锡基材料制备方法简单而且容易和其他金属合金化。然而锡合金负极在充放电过程中形变较大，严重影响循环性能。因此研究新结构的锡基合金材料以改善其循环性能具有重要的实际意义。

中国专利公开号106848198A公开了一种锂电池负极极片的制备方法，包括如下步骤：①配制锡基合金镀液；②铜箔集流体预处理；③电沉积锡基合金/硅基颗粒复合镀层；④电沉积锡基合金/碳颗粒复合镀层。本发明提供的一种锂电池负极极片的制备方法，不仅能有效解决了锂电池的负极极片在充放电过程中引起的体积膨胀的问题，进而提升了锂电池的充放电性能及容量。另外，本发明提供的一种锂电池负极极片的制备方法，不需要使用粘结剂和导电剂，降低了锂电池的负极极片的制作成本。但是，锡合金电极在充放电过程中形变较大，严重影响循环性能，因此需要研究新结构的锡基合金材料以改善其循环性能。

中国专利公开号200710008997.5公开了一种电池用锡铜镍合金负极材料的制备方法，其技术方案由电镀和真空处理步骤组成。镀液组成为:乙二铵四乙酸二钠50-85G，酒石酸钾钠10-53G，焦磷酸钾100-250G，硫酸镍10-55G，锡酸钠10-60G，蒸馏水700-900ML。在电流密度0.2-1.0A/DM2区间电镀0.2-60MIN，制得包覆锡镍合金的铜膜电极。真空处理时将包覆锡镍合金的铜膜电极置于真空干燥箱，在真空度760-380MM汞柱下，于100-180℃处理1-5H，保温24H。冷却后制得锡铜镍合金负极材料。该材料具有优秀的放电性能和充放电循环稳定性。但是，该材料制备工序复杂，原材料利用率低，易造成严重环境污染。

综上所述，锡合金负极在充放电过程中形变较大，严重影响锂离子电池的循环性能。因此，需要研究一种新结构的锡基合金负极材料，以改善其循环性能，这一思路具有重要的实际意义。

发明内容