[发明专利]纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明揭示了一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料及其制备方法，包括以下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮按照第一质量比例加入无水乙醇中，持续搅拌，溶解得到溶液；将二水合氯化亚锡按照第二质量比例，加入溶液中，持续搅拌，得到混合溶液；向混合溶液中按照第一摩尔比例加入蒸馏水，持续搅拌指定时间，得到前驱体分散液；将前驱体分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工艺烘干，得到前驱体；将前驱体在惰性气氛下以指定热处理工艺进行热处理，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。通过本发明的制备方法制备的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料，纳米锡均匀地分散在氮掺杂碳材料中，具有较高的首次库伦效率、比容量、倍率性能和容量保持率，具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池被广泛地应用在电子产品，电动汽车以及储能系统等领域。但是，目前所使用的商用石墨负极材料，由于其较低的理论容量(372mAh/g)以及较弱的倍率性能，迫使人们追求新的高性能锂离子电池负极材料。

锡具有较高的理论容量(992mAh/g，7262mAh/cm^-3)并且含量丰富、无毒，从而有望取代石墨成为新一代负极材料。然而，锡在充放电过程中存在严重的体积变化，会导致电极材料的粉化甚至脱落，从而缩短了锡的循环寿命。

通过减小锡的尺寸到纳米级别，利用纳米颗粒具有快速应力释放以及较短的锂离子扩散距离的优点，可以在一定程度上提高锡的循环性能。但是随着循环的进行，纳米颗粒会逐渐发生团聚，其将导致循环性能的下降。

因此，一些研究者将纳米锡和碳材料形成复合物，来改善这一现象。碳材料作为一种缓冲基体，在一定程度上能限制住锡的进一步粉化与团聚，从而提高循环性能。Zhang等人将锡源和葡萄糖进行水热处理和后期的热处理得到了多孔的Sn@C纳米复合物(Nanoscale,2015,7,11940-11944.)。在0.2A/g下，经过200个循环后，该电极仍然具有865mAh/g的高比容量。然而，该材料具有多孔结构且较大的比表面积，因此其振实密度和首次库伦效率不会高(仅仅只有67.3％)。

也有研究者将氮原子引入到碳材料中，形成氮掺杂碳材料(Adv.Mater,2017,29,1603692)。氮原子的引入，增加了电子转移和更多的锂离子储存与接触位点，从而提高了碳材料的比容量和倍率性能。氮源的选择有很多种，有氨气、尿素及含氮的有机物等，但是大部分氮源有毒、不环保或者成本较高。

因此，开发一种简单、有效，且利于规模化生产的方法，结合氮掺杂碳的优点，将锡纳米颗粒并入于氮掺杂碳材料中，从而获得高首次库伦效率、比容量、高倍率和循环稳定性的锂离子电池负极材料具有重大意义和实用价值。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料及其制备方法，旨在解决现有技术中锡基负极首次库伦效率低以及循环寿命差的问题。

本发明提出一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚乙烯吡咯烷酮按照第一质量比例加入无水乙醇中，持续搅拌，溶解得到溶液；

将二水合氯化亚锡按照第二质量比例，在指定工艺下加入处于搅拌状态的所述溶液中，持续搅拌，得到混合溶液；

向处于搅拌状态的所述混合溶液中按照第一摩尔比例加入蒸馏水，持续搅拌指定时间，得到前驱体分散液；

将所述前驱体分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工艺烘干，得到前驱体；

将所述前驱体在惰性气氛下以指定热处理工艺进行热处理，得到所述纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

进一步地，所述第一质量比例包括：所述聚乙烯吡咯烷酮与所述无水乙醇的质量比包括0.015～0.15。