[发明专利]一种草酸辅助合成二氧化锡纳米颗粒复合石墨烯高性能储锂储钠材料的制备方法及其应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种草酸辅助合成二氧化锡纳米颗粒复合石墨烯高性能储锂储钠材料的制备方法及其应用。本发明采用简易的一步溶剂热法以二水合氯化锡（II）、小分子有机酸和草酸为原料合成一种30纳米左右的球形颗粒聚集体二氧化锡，该种材料以草酸作为沉淀剂利用草酸锡微米棒向二氧化锡纳米颗粒的转化过程，获得SnO₂纳米颗粒，其为球形纳米颗粒。然后将SnO₂纳米颗粒与导电石墨烯复合，纳米级二氧化锡颗粒均匀包裹在氧化石墨烯中，缓解了材料在循环过程中的体积膨胀导致的材料的粉化脱落，同时改善了材料的导电性，实现二氧化锡纳米颗粒复合石墨烯高性能储锂储钠材料的高容量和高循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种草酸辅助合成二氧化锡纳米颗粒复合石墨烯高性能储锂储钠材料的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池 (LIB) 具有能量密度高、循环寿命长以及环境友好等诸多优点，在广泛的应用领域中发挥着主导作用。然而，LIB商用石墨负极的理论容量只有372 mAh g^-1，为了进一步显著提升LIB的能量密度，高性能的新型储锂负极材料被积极探索。此外，地壳中锂资源的稀缺导致LIB的高成本，这限制了其在智能电网和大规模储能系统中的广泛应用。因而，钠离子电池 (SIB) 由于其与LIB相似的工作原理，而钠具有丰富的资源和较低的价格而被广泛研究。然而，钠离子的半径大于锂离子，导致已商业化的LIB负极石墨无法直接用于SIB，目前还没有一种公认的可以量产和商业化的SIB负极材料，因此，发展一种廉价的、可商业化的SIB负极材料成为当务之急。

二氧化锡（SnO₂）由于具有相对较高的理论储锂储钠可逆容量（储锂容量1494 mAhg^-1，储钠容量1378 mAh g^-1）、低成本、高丰度、易于合成和安全性高等优点而受到广泛关注。众所周知，二氧化锡作为LIBs负极材料，有中等锂化电位（≈1.0 V vs Li/Li⁺），并通过两个反应过程存储Li⁺，即第一步转化反应 (SnO₂ + 4Li⁺+4e-↔Sn + 2Li₂O) 产生 711mAh g^-1的容量，第二步合金化反应 (Sn + 4.4Li⁺+4.4e-↔Li_4.4Sn) 贡献了 783 mAh g^-1的容量。二氧化锡作为SIBs负极材料，通过两个反应过程存储Na⁺，即第一步转化反应 (SnO₂ +4Na⁺ + 4e^- ↔Sn + 2Na₂O) 产生 711 mAh g^-1 的容量，第二步合金化反应 (Sn + 3.75Na⁺+ 3.75e^- ↔Na_3.75Sn（Na₁₅Sn₄）) 贡献了667 mAh g^-1的容量。然而，实现SnO₂的高储锂储钠性能受到两个主要问题的阻碍。第一个是由于锂钠的嵌入和脱嵌过程中SnO₂颗粒的大体积变化，引起电极的粉化和电接触丧失，导致的容量快速下降。第二个关键问题是循环过程中，金属Sn颗粒的不断粗化，导致电化学反应可逆性的不断衰减，引起容量逐渐降低。这些因素都严重限制SnO₂在LIBs和SIBs中的实际应用。

一种有效的改善策略是将纳米级二氧化锡颗粒锚定在导电碳基质中。减小二氧化锡的尺寸可以实现高反应活性提高容量，锚定在导电碳材料基质中可以提高导电性并抑制金属锡颗粒的粗化提升循环稳定性。石墨烯被认为是最有效的导电碳基质之一，因为其具有独特的二维结构、高比表面积、优异的导电性和独特的表面电子结构。

因此，为了进一步改善二氧化锡储锂储钠负极的电化学性能，探究并制备纳米尺度的二氧化锡尤为关键。