[发明专利]一种中空立方体结构的锡-锡酸锰-氮碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种中空立方体结构的锡‑锡酸锰‑氮碳复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料以羟基锡酸锌为Sn源前驱体，以高锰酸钾为Mn源前驱体，多巴胺为氮掺杂碳前驱体，采用多步水热法和高温碳化法制备得到。本发明所述的复合材料为中空立方体结构，立方体结构可以提供足够的空间来缓冲充放电期间的体积膨胀，从而防止电极的粉化。同时，所述复合材料外层包裹的碳层，一方面缓解了电极体积变化的应力，另一方面提高了材料的导电性。尤其地，掺入了氮原子，使得碳材料拥有更多的缺陷，增加了电子/离子的传导性，加速了电子/离子的传输，从而提高材料的比容量和循环性能。

技术领域

本发明涉及钠离子电池电极材料技术领域，更具体地，涉及一种中空立方体结构的锡-锡酸锰-氮碳(Sn@Mn₂SnO₄-NC)复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池已经是各种便携式电子产品和电动汽车的主要动力。然而，地壳中锂资源的局限性和分布不均等问题，导致其不能满足储能设备日益增长的需求。钠离子电池由于其天然丰富和环境友好，被认为是一种有希望的替代品。锡基材料是电池领域的热门负极材料，具有较高的理论比容量，以锡基材料作为钠电池的负极材料在理论上应该具有良好的比容量和稳定的循环性能。但是锡基材料的导电性较差，并且在循环过程中会发生严重的体积膨胀，经过十几次循环后就产生由于体积变化而造成的电极粉化，导致容量的快速衰退，这极大地阻碍了锡基材料作为钠离子电池负极的发展。到目前为止，为了解决锡基材料导电性和体积膨胀的问题，构建中空的结构、与具有良好导电性的碳材料复合以及引入双金属元素材料是提高其电化学性能的有效途径。

如中国专利CN106229490A公开了一种中空结构的锡碳复合纳米颗粒的制备方法和应用，首先制备出有机碳球模板，接着加入金属锡离子的溶液以构造中空结构。待中空结构成型之后将颗粒收集，煅烧，最终得到具有中空结构的锡碳复合纳米颗粒。发明研究的中空结构的锡碳复合纳米颗粒作为锂离子电池负极材料能改善电池的循环性能。该锡碳复合纳米颗粒在缓解体积膨胀方面的性能较差，初始容量为1044mAhg^-1，循环250圈后仅剩下480mAhg^-1，并且该专利并未研究中空结构的锡碳复合纳米颗粒作为钠离子电池负极材料的电化学性能。

因此，研究Sn、Mn₂SnO₄以及碳复合材料的制备方法并探讨其作为钠离子电池负极材料的电化学性能具有极大的意义。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种中空立方体结构的锡-锡酸锰-氮碳(Sn@Mn₂SnO₄-NC)复合材料，可以解决锡基材料与钠形成合金过程中发生严重的体积膨胀导致电极粉化的技术问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种中空立方体结构的锡-锡酸锰-氮碳复合材料，所述中空立方体结构以锡为立方体框架，所述立方体框架表面附着有锡酸锰(Mn₂SnO₄)纳米颗粒，所述锡酸锰纳米颗粒被氮掺杂碳壳包覆；所述中空立方体结构的棱长为1.3～1.6μm，壁厚为160～180nm。

本发明Sn@Mn₂SnO₄-NC复合材料具有中空立方体结构，中空立方体结构可以提供足够的空隙来缓冲充放电循环过程中的体积膨胀，从而防止电极粉化；同时，中空立方体结构可以缩短钠离子的扩散距离，从而提高复合材料的电化学性能和电池的循环寿命；此外，以Sn为立方体框架，Mn₂SnO₄纳米粒子附着在Sn框架上，这种结构更利于电解液的渗透和电子/离子的传输，从而具备更好的循环性能。

本发明的另一目的在于提供中空立方体结构的Sn@Mn₂SnO₄-NC复合材料的制备方法。