[发明专利]一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，其包括以下步骤：步骤1：选用有机锡化合物与氧化剂为原料，将两者均匀混合；步骤2：加入控制剂，用于控制反应的均匀性，以及二氧化锡纳米颗粒的形貌；步骤3：将混合均匀的原料和控制剂加热并保温一段时间；步骤4：冷却至室温后，将步骤3所得到的产物经后处理得到碳包覆二氧化锡纳米颗粒。本发明通过有机锡化合物、氧化剂、控制剂的选择与配比，可在低温条件下通过氧化工艺制备碳包覆二氧化锡纳米颗粒。本发明所提出的制备方法具有设备简单、易操作、成本低等特点，适合工业化生产。而且制备的碳包覆二氧化锡纳米颗粒成分与形态可控、稳定性好，在锂离子电池领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及电极材料领域，具体涉及一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法。

背景技术

21世纪以来，由于煤、石油、天然气等化石燃料不可再生资源的日渐枯竭，以及其燃烧带来的环境污染问题，发展可替代能源和节能减排已是大势所趋。锂离子二次电池，属于绿色环保电池，已经主导了小型便携电池的市场，目前商业化的锂离子电池负极材料通常为碳系材料,如石墨,中间相碳微球等，它们的比容量较低,而且结构不够稳定,经不起大电流充放电，所以虽然现阶段的锂离子电池已经基本满足便携小型设备的需要,但电动车所需的大型动力锂离子电池所用材料仍需改进和研发。同时，为了破解锂离子电池金属氧化物负极会产生巨大的体积膨胀,导致电极材料粉化,使锂离子电池容量急剧衰减的难题，开发高质量的锂离子电池作为储能器件在电动汽车的推广研究中是重要的研究方向，开发具有能量密度高和功率密度高的储能器件是核心问题。

锂离子电池的性能与电极材料的结构和性质密切相关，电极材料的选择很大程度上决定了电池性能优劣，所以新型电极材料的研发尤为关键，特别是新一代高功率、高容量锂离子动力电池的研发，更是迫在眉睫。作为锂离子电池负极材料过渡金属氧化物，如四氧化三铁、氧化钛、氧化锡等，由于同样具有较高的理论比容量，成本低廉，环境友好而引起了广泛关注，这些金属氧化物在充放电过程中与金属锂发生可逆反应，形成金属弥散分布在无定型非晶态氧化锂中，反应高度可逆，在电池的电化学窗口内金属氧化物稳定存在。二氧化锡(SnO₂)属于金属氧化物,由于具有低嵌锂电压、高比容量和优良的化学稳定性，成为锂离子电池中碳负极材料最有希望的替代物之一。其相对于石墨(372mAh/g)拥有二倍多的比容量(782mAh/g),是一种有潜力取代石墨的动力锂离子电池负极材料。

但二氧化锡作为锂离子电池负极材料存在导电性差、充放电过程中出现显著体积膨胀等问题，导致材料的循环性能与倍率性能较差。二氧化锡的循环性能较差造成其循环寿命短。因为，它在充放电过程中会产生剧烈的体积变化(充满电时膨胀300％),反复的体积剧烈变化会造成活性材料粉化并与导电基底脱离,晶体结构破坏等严重后果,而在大电流充放电的状态,这种崩溃将会更快发生。克服二氧化锡体积膨胀带来的灾难性后果是目前科学研究者研究的重点。并且,二氧化锡本身的电导率不高,这也影响了它的高倍率充放电性能。

因此我们常用电极材料的复合化与纳米化来改善电池性能。由于碳材料优异的导电性和稳定性、独特的物理属性和廉价的成本，碳包覆技术目前成为优化电极材料性能最有效的方法之一。通过制作纳米球形的SnO₂,在其表面包覆上一层无定形碳缓冲层,纳米结构的SnO₂与无定形碳缓冲层减轻了SnO₂的体积膨胀效应,并且提高了传统SnO₂的比表面积,缩短了锂离子扩散路径,有效地提高电极导电性，改善活性材料的表面化学性质、保护电极避免其直接接触电解液，从而获得更好的循环寿命。而且碳包覆与纳米技术相结合，可提供更好的导电性、更快的锂离子扩散速度，从而得到更好的倍率性能。