[发明专利]一种碳锡纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳锡纳米复合材料及其制备方法和应用，本发明利用螺旋纳米碳纤维形成的三维网络结构，提高所述复合材料的导电性，且该结构的网络间隙为所述纤维表面接枝的锡纳米颗粒的膨胀提供缓冲空间，抑制锡的体积膨胀效应，利用溶胶凝胶法和还原反应生成粒径小、分布均匀的锡纳米颗粒，且均匀接枝到所述纤维表面，锡的纳米化降低了锡的体积膨胀效应，提高所述复合材料的循环稳定性，由气相沉积法形成碳包覆层，使得锡纳米颗粒作为中间层，协同HCNFs和碳包覆层，形成“三明治”结构，有效抑制锡的体积膨胀效应，提高了循环稳定性和容量倍率，在200mA/g电流密度下，循环次数为200次，比容量可达503.9mAh/g。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种碳锡纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

新兴的电动汽车、便携式设备、新推出的空间探索设备，以及现代化的军事装备都离不开高效、安全的储能设备。而传统的铅酸蓄电池和镍氢电池难以满足现代化更高的储能需求，锂离子二次电池因为比容量大、电压高、循环寿命长而成为了研究热点。并且，负极材料是决定锂离子电池性能的关键要素之一，占电池成本的30％左右。

1997年Yoshio Idato首次报道了Sn基氧化物用作锂离子电池负极材料后，Sn基负极材料就吸引了广泛的关注，也是目前研究新型的高比容量非碳类负极材料的热点之一。锡具有嵌锂电位(0.3V)高于金属锂的析出电位，高倍率下能避免金属锂积；充放电过程中没有溶剂共嵌问题；堆积密度大(75.46mol/L)，接近金属锂的堆积密度(73.36mol/L)，金属Sn具有较高的理论容量，为994mAh·g^-1。但是，纯锡作为锂离子电池的负极材料，在合金化/脱合金化过程中，体积发生极大变化，而锡本身为易延展材料，它的宏观机械性能使之不能抵挡住由此而产生的应力，而造成电极易发生破裂与粉碎，很大程度上限制了其商业化。因此，如何减小和限制锡的体积膨胀效应，从而提高其容量保持率和循环稳定性，是现有技术亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳锡纳米复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的方法制备的碳锡纳米复合材料，能够有效抑制锡的体积膨胀效应，容量保持率高，循环稳定性优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳锡纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将五水四氯化锡溶液与螺旋纳米碳纤维分散液混合进行水解反应，得到二氧化锡/螺旋纳米碳纤维复合材料；

(2)将所述步骤(1)得到的二氧化锡/螺旋纳米碳纤维复合材料进行还原反应，得到锡/螺旋纳米碳纤维复合材料；

(3)利用气相沉积法在所述步骤(2)得到的锡/螺旋纳米碳纤维复合材料表面进行碳包覆，得到碳锡纳米复合材料。

优选地，所述步骤(1)中的混合为将五水四氯化锡溶液滴加到螺旋纳米碳纤维分散液中。

优选地，所述滴加的速率为0.3～1.8mL/min。

优选地，所述步骤(1)中水解反应的温度为50℃～140℃，水解反应的时间为2～5h。

优选地，所述步骤(2)中的还原反应在惰性气氛中进行，还原反应的温度为600～900℃，还原反应的时间为3～7h。

优选地，所述步骤(2)中还原反应的升温方式为程序升温，所述程序升温的速率为3～7℃/min。

优选地，所述步骤(3)中气相沉积法的碳源为甲苯，气相沉积法的载体为惰性气体，所述惰性气体的流量为40～300mL/min。

优选地，所述步骤(3)中碳包覆的温度为600～900℃，碳包覆的时间为0.5～3h。