[发明专利]一种亚稳态锡基合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种亚稳态锡基合金材料及其制备方法。该材料主要由Sn、Ni两种金属元素组成，还可能含有Fe、Co等元素，形成亚稳态的主相为MSn₅(M＝Ni，Fe_0.5Ni_0.5，Co_0.5Ni_0.5)的锡基合金材料，本发明通过在合成过程中引入晶种，诱导形成在常规方法难以合成的以锡、镍为主的锡基合金新相，该方法为其他亚稳态材料尤其是亚稳态锡基合金材料的合成提供一种新的方法和思路。所述MSn₅合金材料可作为锂/钠离子电池活性负极材料，其中非活性的M金属的存在能够抑制Sn的团聚，提高材料的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及合金材料的制备领域，具体涉及一种新型的亚稳态锡基合金材料M-Sn(M＝Ni，FeNi，或CoNi等)的制备和应用的研究。

背景技术

合金材料在工业生产和日常生活中中具有非常广泛的应用。研究合金相图，对合金材料的制备条件、理化性质的了解都具有非常积极的意义，进而推动合金材料的应用开发。然而，一些亚稳态的合金相并不存在于传统的合金相图中，这些合金相的开发对补充合金相图，完善合金理论意义重大。亚稳态合金相的生成条件较为苛刻，因此开发亚稳相合金需要选择或开发合适的制备方法，并严格控制原料种类、原料比例、反应温度等条件。

锡基合金材料在工业领域已经具有非常广泛的应用，由于其优良的电化学性能，近年来在催化、储能等领域也成为研究的焦点。传统的锡基合金的制备方法主要为高温熔炼法，虽然该方法能够大规模地制备锡基合金，但其对材料的形貌、尺寸以及相成分的控制能力非常有限，难以应用于催化及储能等领域。并且传统的高温熔炼法制备得到的合金材料都为稳相材料，无法用于制备和开发新型的亚稳相合金材料。因此开发一种能够有效控制锡基合金的形貌、尺寸及相组成的制备方法，对锡基合金材料的研究及应用的开发具有非常重大的意义。

第二次工业革命以来，能源危机和环境污染成为日益突出的两大世界性问题，促使人们对绿色可持续的新型能源的大力探索。锂离子和钠离子电池作为高效的储能设备，相比于传统电池，具有比容量高、单体电压高、自放电小、使用寿命长，绿色环保等优点，在全世界掀起了研究热潮。由于锡基材料在锂离子电池和钠离子电池中都具有较高的理论比容量，被认为是传统石墨负极替代品的有力竞争者。合金化是锡基负极材料的常用改性方法，2005年，索尼公司商业化了无定形Sn-Co-C负极，引发了研究人员对锡基负极研究开发的巨大热情。开发新型的锡基合金方法，制备高性能锡基材料是研究的重点。

发明内容

本发明的目的是针对亚稳相锡基合金的特点，提供一种锡基合金材料及其制备方法，该合金材料主要由Sn、Ni组成，同时还存在Fe、Co、Cu等金属元素。

本发明的锡基合金材料其主相为MSn₅合金，其中M为Ni、Fe_0.5Ni_0.5、Co_0.5Ni_0.5中的一种，材料表面具有一层无定形金属氧化物层。

金属氧化物层即上述金属的氧化物中的一种或多种，其厚度往往为3-5nm。该锡基中间合金MSn₅具有四方相，属于P4/mcc空间群，该合金材料的形貌通常为球状、或近似于球状，合金粒径尺寸范围为10-100nm，较佳地为20-70nm，更佳地为30-50nm。

上述技术方案中，进一步的，所述的MSn₅合金中往往存在化学计量比的M原子空位，即：M_aSn₅，其中a的范围为0＜a＜1。