[发明专利]铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极及其制备方法

说明书

本发明提供了铁锡‑铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极及其制备方法，该锂离子电池负极由铁锡化合物和铁锡氮化合物组成，所述铁锡化合物为单独的FeSn，或者为FeSn和FeSn₂，所述铁锡氮化合物为Fe₃SnN，该锂离子电池负极具有双连续、开孔式三维微米‑纳米复合分级孔结构，纳米孔结构分布在由铁锡化合物和铁锡氮化合物共同构成的三维微米多孔骨架上。本发明可缓解锡负极材料在循环嵌脱锂过程中产生的巨大体积变化，提高锂离子电池锡负极的循环性能和比容量。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极领域，涉及铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极及其制备方法。

背景技术

21世纪以来，随着电子科技的不断进步及绿色能源产业的不断发展，便携式移动设备、电动汽车、混合动力汽车以及智能电网存储设备等对电池性能要求的日益增长，市场对高比能、长寿命和安全性好的电池需求愈加迫切。锂离子电池具有开路电压高、能量密度高以及寿命长等优点，被认为是下一代动力电池的首选。锂离子电池的性能主要取决于正极、负极材料，因此，研发高性能的电极材料是提升锂离子电池性能的关键。

在过去四十年中，石墨是商业用可再充电锂离子电池中最常见的阳极材料，但其存在理论比容量低、首次库伦效率低，有机溶剂共嵌入等不足，难以满足现今对高比能量电池的需要。因此，研发具有综合性能良好的可替代负极材料迫在眉睫。锡及锡基负极材料作为锂离子电池负极材料具有较高的理论比容量、导电性良好等特点，引起了研究者的广泛关注。Li_4.4Sn的质量比容量为994mAh g^-1，比工业石墨大三倍，锡的体积比容量也高达7200mAh cm^-3，同时，锡负极对锂电极具有很高的反应活性，在充放电过程中不会与溶剂共嵌入。虽然锡具有以上优势，但锡合金作为锂离子电池的负极材料时，在锂离子脱嵌的过程中，会发生巨大的体积变化，产生较大内应力，导致锡从基体材料上粉化剥落，进而造成电极迅速失效，这大大限制了锡作为锂离子电池负极材料的推广应用。如何有效缓解锡负极材料在循环嵌脱锂过程中产生的巨大体积变化，获得电化学性能良好、长期稳定的电极结构成为了将锡基材料作为锂离子电池负极研究的关键途径之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极及其制备方法，以缓解锡负极材料在循环嵌脱锂过程中产生的巨大体积变化，提高锂离子电池锡负极的循环性能和比容量。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极，由铁锡化合物和铁锡氮化合物组成，所述铁锡化合物为单独的FeSn，或者为FeSn和FeSn₂，所述铁锡氮化合物为Fe₃SnN，该锂离子电池负极具有双连续、开孔式三维微米-纳米复合分级孔结构，纳米孔结构分布在由铁锡化合物和铁锡氮化合物共同构成的三维微米多孔骨架上。

上述一体化锂离子电池负极的技术方案中，该锂离子电池负极中的微米孔结构的尺寸优选为5～60μm。

上述一体化锂离子电池负极的技术方案中，该锂离子电池中的纳米孔结构的尺寸优选为50～800nm。

上述一体化锂离子电池负极，是由铁锡合金经腐蚀液腐蚀形成的，腐蚀液由氢氟酸和硝酸组成，该锂离子电池负极中的铁锡化合物由铁锡合金片中的富锡相及富铁相发生部分溶解后，剩余的锡元素与铁元素自组装形成，该锂离子电池负极中的铁锡氮化合物由铁锡合金片中的铁锡化合物以及自组装形成的铁锡化合物被腐蚀液中的硝酸部分氧化形成，该锂离子电池负极中的微米孔结构和纳米孔结构是铁锡化合物中的铁以及锡被腐蚀后形成的。