[发明专利]石墨烯宏观体/氧化锡复合锂离子电池负极材料及其工艺

说明书

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种石墨烯宏观体/氧化锡复合锂离子电池负极材料及其制备工艺。

背景技术

锂离子电池由于其能量密度高，循环性能好，自其商品化以来已经得到了广泛的应用，逐渐取代了传统的铅酸电池等化学电源。特别是随着能源与环境问题的日益凸显，新能源产业得到了越来越多的重视。混合动力汽车和电动汽车行业发展迅速，锂离子电池作为其中重要的储能装置被广泛应用。锂离子电池负极是电池的重要组成部分，它的结构与性能直接影响锂离子电池的容量和循环性能。目前商用的锂离子电池负极材料以石墨为主，石墨成本低，来源广泛，适于商品化，但是其容量较低，理论容量仅为372 mAh/g，在需要高能量输出的领域的应用受到限制。金属氧化物如TiO₂，SnO₂等作为锂离子电池负极材料具有很高的比容量。其中SnO₂比容量高达782 mAh/g，但SnO₂作为电极材料在充放电过程中体积变化高达200～300%，这会引起电极的粉化，导致活性物质与集流体的断路。因此，大多数SnO₂电极都存在容量衰减迅速的问题，这也限制了金属氧化物作为锂离子电池负极材料的发展和实际应用。因此，科研工作者们也针对这些问题进行了深入的研究，对电极材料进行改性，包括包覆、掺杂、复合以及纳米材料的制备，通过这些方法来提高电极材料的性能，特别是金属氧化物与炭材料进行纳米尺度的复合，制备出新型的纳米结构已经成为目前研究的热点。

石墨烯，是一种自由态二维晶体，它具有良好的电学、力学、光学等性质，另外，石墨烯还是一种很有潜力的储能材料，目前已有其应用于超级电容器及锂离子电池方面的报道。在制备石墨烯的方法中，杨全红等提出的低温负压化学解理法可实现低成本的宏量制备，其制得石墨烯具有良好的结构，并且在电化学出能上展示出良好的性能[Wei Lv，Dai-Ming Tang，Yan-Bing He et al. ACS Nano，2009，3(11):3730-3736.]。Paek等用溶胶凝胶法制得了SnO₂纳米颗粒/石墨烯复合材料，其显示了良好的电化学性能，可逆容量达到840mAh/g，但是其循环性能仍不十分理想，同时，由于该材料中SnO₂的含量较少，其容量还需要进一步提高，在大电流充放电条件下的电化学性能较差[Seung-Min Paek, Eun-Joo Yoo, Itaru Honma. Nano Letters, 2009, 9(1):72-75.]。Zhang等利用SnCl₂和尿素与氧化石墨烯溶液在微波加热条件下回流5分钟，得到SnO₂纳米颗粒/石墨烯复合材料，作为锂离子电池负极材料，在0.2C倍率循环50次后容量降为600 mAh/g[Ming Zhang, Danni Lei, Zhifeng Du, et al. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(6): 1673-1676.]。其他一些关于石墨烯和二氧化锡复合材料的研究也都是制备出二氧化锡颗粒附着在石墨烯片层上，虽然能够一定程度上提高材料的容量和循环性能，但是其提高程度有限，没有形成理想的缓冲结构来容纳二氧化锡在充放电过程中的体积膨胀。杨全红等提出一种经过一步水热法制备基于石墨烯的多孔宏观体碳材料方法[杨全红,陶莹，吕伟， 基于石墨烯的多孔宏观体碳材料及其制备方法，201010568996.8]。这种材料的石墨烯片层间除了具备一般石墨烯基块体材料的物理交联作用以外，还在片层间引入了化学交联作用，该材料具有发达的孔隙结构，超大的比表面积，良好的结构稳定性，用途广泛，其制备方法过程简单。

发明内容

为避免现有锂离子电池负极材料制备技术存在的上述不足，本发明提供一种石墨烯宏观体/氧化锡复合锂离子电池负极材料及其制备工艺，该材料结构新颖，具有大的比表面积，导电性好，电化学储锂容量大，循环性能好，同时制备方法简单，低成本，适于产业化。

本发明是通过下述技术方案实现的。本发明的石墨烯宏观体/氧化锡复合锂离子电池负极材料，其特征是：该材料是由三维多孔石墨烯宏观体及在三维多孔石墨烯宏观体的孔道中定向生长的纳米级二氧化锡构成，其容量可以达到500～2000 mAh/g，库伦效率为80～99.5%，具有优异的循环性能。其中，三维多孔石墨烯宏观体与二氧化锡的质量比为1: 0.1～20。