[发明专利]一种用于锂离子电池负极的锡碳复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池负极的锡碳复合材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池领域。其制备方法是通过高温热解含锡化合物粉末材料，将锡纳米球分散在三维介孔碳材料基体中，这不仅能保持锡的高比容量特性，也能有效抑制电极的体积膨胀，防止颗粒的团聚，从而提高其循环稳定性。本发明的优点是：该复合材料中锡纳米球以及三维介孔碳结构有利于离子的快速传输，进而提高锂离子电池负极材料的能量密度，具有较好的循环稳定性；其制备过程无需添加任何的化学试剂，工艺简单，成本低廉，安全环保，很容易实现工业化大规模生产，有望应用于下一代高能量密度、环境友好的新型储能电池中。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种用于锂离子电池负极的锡碳复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的可持续储能装置，因其具有高能量密度、长循环寿命和环境友好等优点而备受关注。石墨作为当前商业化的锂离子电池负极材料，其低的理论比容量(372mAh/g)不能够满足人们对高能量密度电池的要求，这就迫切需要人们开发具有高比容量以及长循环稳定性的新型负极材料。金属锡由于高的理论比容量(994mAh/g)、低成本以及合适的工作电位，被认为是最具有应用前景的锂离子电池负极材料之一。然而，锡在充放电过程中会产生大的体积膨胀，造成颗粒的粉化以及活性物质与集流体的分离，从而导致容量快速衰减，这极大地限制了锡负极材料的商业应用。

将锡负极材料纳米化可以有效减轻脱/嵌锂过程中产生的应力，防止材料的粉化(Y.Cheng,Z.Yi,C.Wang,et al.Controllable fabrication of C/Sn and C/SnO/Sncomposites as anode materials for high-performance lithium-ionbatteries.Chemical Engineering Journal,2017,330,1035–1043.)。同时，纳米化还可以降低锂离子的扩散距离，提高倍率性能。然而，纳米颗粒在充放电过程中易团聚，降低电极的循环性能。目前，将纳米锡分散在导电碳基体上被认为是一种解决上述问题最有效地方法。例如，Zhang等人以氯化锡和间苯二酚甲醛树脂分别作为锡源和碳源，采用气凝胶高温热解法制备出一种锡纳米颗粒均匀分散在球形碳基体上的复合材料(N.Zhang,Q.Zhao,X.Han,et al.Pitaya-like Sn@C nanocomposites as high-rate and long-life anodefor lithium-ion batteries,Nanoscale,2014,6,2827-2832)。Xu等人使用氯化锡和聚乙烯吡咯烷酮分别作为锡源和碳源，通过气凝胶高温热解法合成出一种锡纳米颗粒均匀分散在球形碳基体上的复合材料(Y.Xu,Q.Liu,Y.Zhu,et al.Uniform Nano-Sn/C CompositeAnodes for Lithium Ion Batteries,Nano Letter,2013,13,470-474)。当前，锡碳复合材料的制备方法主要是通过高温热解碳源和锡源的混合物。但是，这样的制备方法一般都是通过多步工艺得到，极大地增加了原材料成本和合成复杂度，这不利于工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高比容量和长循环稳定性的用于锂离子电池负极的锡碳复合材料及其制备方法，通过一步直接高温热解锡化合物的方法将80～800nm的锡纳米球分散在三维介孔碳材料基体中，制备出锡碳复合材料，保留锡的高比容量特性，同时有效抑制电极的体积膨胀，防止颗粒的团聚，提高其循环稳定性，从而提高锂离子电池负极材料的能量密度。

本发明通过以下技术方案实现：

一种锡碳复合材料，所述锡碳复合材料为：由锡纳米球分散在三维介孔碳材料基体中，所述的锡纳米球的直径为80～800nm，所述的三维介孔碳材料的孔径为2～13nm，所述的锡碳复合材料中锡的质量分数为50％～85％。

本发明还提供了所述的锡碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：将含锡化合物在保护气氛下进行热解反应，反应结束后温度降至室温；使用水清洗，即可制得锡碳复合材料。