[发明专利]一种多孔碳内嵌锡基合金的电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔碳内嵌锡基合金的电池负极材料及其制备方法，该复合材料由三维网状多孔碳包覆的纳米级锡基合金均匀镶嵌在三维网状碳结构上构成，其制备过程包括：采用NaCl作为模板，将其与碳源、锡源以及其它金属盐溶解，混合均匀，随后冷冻干燥以保持NaCl立方体结构，研磨后在管式炉中惰性或还原性气氛围中一定温度下进行热处理，洗涤除去NaCl模板，烘干后得到三维多孔网状碳内嵌锡基合金的复合材料。制备出的材料用于锂离子电池和钠离子电池负极，具有容量高，循环性能好且倍率性能优异等特点。而且制备工艺简单，对环境友好，性能可控，具有普适性和可放大性。

技术领域

本发明属于电池负极材料技术领域，涉及一种锂、钠离子电池负极材料技术，具体为一种多孔碳内嵌锡基合金的电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因其具有比能量高、工作温度范围宽、储存寿命长、无环境污染、使用安全等优点，已广泛应用于各种小型电子设备中，如手机、笔记本电脑、照相机、电动工具等，而且在电动汽车及大规模储能等领域也占有重要地位。

锂离子电池的性能主要取决于正负极材料的性能。目前的锂离子电池负极材料主要为碳素材料，但其理论比容量仅有372mA·h/g，不能满足当前发展高能量密度锂离子电池的要求。金属锡因其高达992mA·h/g的理论比容量近年来得到了广泛的关注，但单质锡在锂离子脱嵌过程中，由于巨大的体积膨胀，其结构稳定性易遭到破坏，致使材料开裂，粉化，从而严重影响循环性能。同时，单质锡材料还存在着首次充放电不可逆容量高，完全锂合金化时导电性变差而影响倍率性能等问题。针对锡负极的改性方法，主要从以下几个方面考虑：一、将金属锡与碳复合，利用碳稳定的基本骨架，缓解体积膨胀，使其兼具碳的优异的循环性能以及锡的高理论容量；二、将金属锡与其他金属形成合金，其中活性较差的金属可以充当缓冲基体，改善循环性能；三、制备纳米级锡，缩短锂离子的扩散路径的同时一定程度上减弱材料在脱嵌锂过程中的体积变化。上述三种改性方法对提高锡基负极性能均有一定效果，但单一方法不能完全解决锡基负极材料的上述关键问题。

本发明采用氯化钠作为模板，通过冷冻干燥、热解制备得到这种三维多孔网状碳内嵌纳米级锡基合金复合负极材料，其结构少有报道，制备工艺简单，安全，且生产成本低廉，形成的结构稳定，且作为锂离子电池负极材料具有优异性能。

发明内容

本发明旨在提供一种多孔碳内嵌锡基合金的电池负极材料及其制备方法。该材料是由碳包覆的纳米锡基合金颗粒均匀镶嵌在三维多孔三维网状多孔碳上构成，该复合材料作为锂离子电池负极，具有容量高，循环稳定性好，倍率性能优良等特点。

为了达到以上所述的技术效果，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种多孔碳内嵌锡基合金的电池负极材料，所述的负极材料为碳包覆的纳米级锡基合金颗粒均匀镶嵌在三维多孔网状碳结构上形成，所述的锡基合金为Sn与Cu、Ni、Co或Fe中至少一种组成的合金。

所述的锡基合金颗粒直径为5nm～30nm，碳包覆层厚度为1nm～5nm。

上述三维网状多孔碳内嵌锡基合金的电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将NaCl、碳源、锡源和能与锡形成合金的可溶性盐用去离子水溶解，磁力搅拌12h；

2)将步骤(1)制得的溶液置于冰箱中冷冻，完全冻实后放入冷冻干燥机进行低温真空干燥；

3)将步骤(2)冷冻干燥后的材料研磨成粉末进行热处理，以5℃/min～20℃/min的升温速率至550℃～800℃，保温2h～8h，混合气体保护下冷却至室温；

4)将步骤(3)制得的粉体用去离子水反复洗涤、过滤，直至彻底除去产物中NaCl为止，再将洗涤干净的粉末在60～80℃的烘箱中烘干，研磨，即可得到内嵌锡基合金三维多孔碳锂离子电池复合负极材料。