[发明专利]过渡金属锡化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用复合材料领域，具体涉及一种过渡金属锡化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、安全性能好等优点，因此在数码相机、移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品中得到广泛应用，对于电动自行车和电动汽车也具有应用前景。目前商品化的锂离子电池的负极材料是石墨以及其它形式的碳材料。由于石墨的理论容量只有372mAh·g^-1，而且嵌锂电位较低，限制了其使用范围。与石墨等碳材料相比，某些锡基合金具有较理想的嵌锂电位和较高的质量比及体积比容量，应用前景十分广阔。目前这些锡基合金一般采用固相烧结法制备，该方法设备昂贵、工艺复杂、对原材料要求高，使得制备成本大大提高。另外，由于锡基合金在充放电过程中体积变化较大，再加上固相法制备的材料颗粒尺寸较大且分布不均匀，所以所得锡基合金材料的电化学稳定性较差。目前提高合金负极循环稳定性的方法有将材料纳米化及复合化。

复合材料(Composite materials)是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成的具有新性能的材料。复合材料中的各种材料一般在性能上能互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。石墨烯由于其电导率高，强度高，比表面积大，被广泛用作纳米颗粒的载体来制备复合材料。如申请号为201010158087.7的中国专利申请中公开了一种石墨烯负载四氧化三钴纳米复合材料及其制备方法，由石墨烯和四氧化三钴组成，四氧化三钴负载在石墨烯纳米片上，石墨烯纳米片的质量分数为2％-95％wt，石墨烯纳米片的厚度为0.3～50纳米，四氧化三钴的粒径为1～200纳米，四氧化三钴为球状或片状；制备方法为：取氧化石墨烯溶液和二价钴盐、高分子表面活性剂混合；然后和加入氧化剂的碱溶液混合后搅拌或者超声0.2～5小时，转移到高温反应釜中，在100～250℃下退火3～30小时得到产物，经洗涤、干燥，即得石墨烯负载四氧化三钴纳米复合材料。因此，开发纳米尺寸的复合材料具有广泛的应用价值。

发明内容

本发明提供了一种电化学稳定性良好的过渡金属锡化物/石墨烯复合材料。

本发明还提供了一种过渡金属锡化物/石墨烯复合材料的一步制备方法，该方法工艺简单，能耗低、成本低，所得产物颗粒尺寸细小且分布均匀。

一种过渡金属锡化物/石墨烯复合材料，由纳米级过渡金属锡化物和石墨烯(G)组成，所述的过渡金属锡化物的通式为MSn₂或M₃Sn₂，其中M代表VIII族过渡金属元素。即所述的复合材料具有MSn₂/G或M₃Sn₂/G的组成。

所述的VIII族过渡金属元素可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的一种、两种或三种。当选用两种以上VIII族过渡金属元素时，多种VIII族过渡金属元素的原子数之和等于1或3，两种以上VIII族过渡金属元素之间的比例可为任意比；具体为：M＝Fe_xCo_yNi_z，其中x、y、z满足条件x+y+z＝1及0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1；或者，x、y、z满足条件x+y+z＝3及0≤x≤3，0≤y≤3，0≤z≤3。如所述的过渡金属锡化物为FeSn₂、Co_0.9Ni_0.1Sn₂、Ni₃Sn₂或Ni_0.4Fe_2.6Sn₂等。

过渡金属锡化物的颗粒直径越小，越易覆载于石墨烯上，复合材料的电化学稳定性能越好，因此本发明选用纳米级过渡金属锡化物，优选，所述的纳米级过渡金属锡化物的颗粒直径为20纳米～50纳米。

优选，所述的复合材料中纳米级过渡金属锡化物呈均匀分散。

为了进一步提高复合材料的应用性能，所述的复合材料中石墨烯的重量百分含量优选为0.5％～15％，进一步优选为2.3％～14.5％。

所述的过渡金属锡化物/石墨烯复合材料的制备方法，为一步水热法或一步溶剂热法。

为了达到更好的发明效果，优选：

所述的过渡金属锡化物/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：