[发明专利]石墨烯基二氧化锡复合锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一步法制备石墨烯基二氧化锡复合锂离子电池负极材料的方法，属于材料科学和电化学技术领域。

背景技术

锂离子能源材料可以为现代通讯、信息技术提供能源保障。目前已经获得商业推广使用的石墨化碳负极材料，由于储锂容量较低(＜372mAh/g)，越来越不能满足技术发展的要求。因此，对锂离子能源材料提出了更高的储存容量和循环寿命要求。近年来，高比容量和优异循环性能的新型锂离子能源材料成为科学研究的热点。

近几年，在传统石墨碳材料的基础上，逐渐涌现出一些新型的、性能优良的碳负极材料。碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNT)凭借其较高的理论比容量、独特的结构以及良好的电导性和稳定性等优点，作为锂离子电池负极材料获得了广泛的关注。随后，英国Geim等人用机械剥离的方法获得了具有完美二维结构的石墨烯。该材料因其独特的结构、良好的电子传输能力、大的比表面积及优良的力学性能等优点，引起了研究者的极大兴趣，被广泛应用于超级电容器及电化学方面的研究。然而，尽管这些新型碳负极材料凭借自身独特的结构和性质，在一定程度上解决了传统石墨碳材料比容量低的缺点，但是由于受限于碳材料的物理化学性质，其重量比容量还是受到较低的理论值的限制，影响了其商业化的推广及应用。

相比石墨化碳材料，锂合金负极材料及金属氧化物材料(SnO_x，TiO₂，CoO等)等具有较大的理论比容量。例如：SnO₂的理论重量比容量高达782mAh/g，比石墨碳的理论容量高2-3倍。但这类负极材料在和锂发生合金化/去合金化过程中，金属基体无论是结构上还是体积上都可能发生较大的变化，同时，与体积变化相关的机械压力可造成其机械稳定性迅速衰减，使电极产生裂缝和脆性，从而导致离子间失去电接触，并最终导致其循环性能快速下降。因此，高容量的锂合金及金属氧化物负极材料仍然难以得到实际应用。

综上所述，相对石墨碳材料，氧化物材料的使用一定程度上可提高材料的储锂比容量；而相对氧化物负极材料，石墨碳材料独特的结构、优良的导电性及重量轻等优点，使其可以作为良好的载体，从而缓解金属氧化物负极在储锂过程中的大体积膨胀，并增强金属氧化物负极的循环可逆储锂能力。因此，如果把循环性能良好的石墨碳材料和比容量大的金属氧化物材料结合起来，发挥各自的优势，有望显著提高材料的储锂性能，对于拓展其应用具有深远的意义。

本发明采用简单的一步法制备石墨烯基二氧化锡复合材料，具有工艺简单，条件温和，成本低廉等优点。通过此方法制备的复合材料中二氧化锡颗粒生长均匀，颗粒细小，颗粒直径可控制在2-3nm之间。另外，经电化学测试，证明所得到的材料具有良好的电化学性能，从而为石墨烯基二氧化锡复合材料在电化学领域的研究和应用提供了很好的实验数据和理论支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种一步法制备石墨烯基二氧化锡复合锂离子电池负极材料的方法。

本发明利用现有已知技术先制取氧化石墨纳米片，然后制备石墨烯基二氧化锡复合锂离子电池负极材料。

本发明一步法制备石墨烯基二氧化锡复合锂离子电池负极材料的方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：

a.制备原料氧化石墨纳米片

首先按现有技术制备原料氧化石墨纳米片，其制备方法如下：

将一定量的过硫酸钾(K₂S₂O₈)和五氧化二磷(P₂O₅)溶解于浓硫酸(H₂SO₄)中，加热到80℃后加入一定量的天然石墨，在80℃下保温4.5h后冷却至室温；然后用去离子水稀释，放置过夜；然后进行过滤、洗涤，所得滤渣放于真空干燥箱于60℃下干燥；将干燥后的滤渣溶解于浓H₂SO₄中，在冰浴条件下缓慢加入高锰酸钾(KMnO₄)，在35℃下恒温搅拌2h；然后用去离子水稀释，并缓慢加入30％的双氧水(H₂O₂)；然后过滤、洗涤；将洗涤后产物分散于去离子水中，超声剥离，得到氧化石墨纳米片，离心分离后干燥待用；

b.石墨烯基二氧化锡复合锂离子电池负极材料的制备

(1)将上述制得的氧化石墨纳米片分散于乙醇(C₂H₅OH)溶液中；