[发明专利]一种二氧化锡/多孔碳复合锂电池负极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化锡/多孔碳复合锂电池负极材料及制备方法，属锂离子电池领域。

背景技术

随着社会的飞速发展，环境污染和能源危机的挑战日益严峻，绿色能源成为世界各国的研发热点。锂离子电池作为一种新型清洁的可充电电源，具有质量轻、污染小、工作电压高、能量密度大、循环寿命长等优点，在国防、电动车和电子领域展示了广阔的应用前景，被誉为21世纪的理想电源。在锂离子电池中，负极材料是影响电池容量和使用寿命的重要因素之一。目前商品化的锂离子电池主要以石墨或改性石墨作为负极材料，其优点是循环性能和倍率性能较好，但其理论比容量仅为372mAh/g，难以在电动汽车等高能量密度要求的领域广泛使用。为了满足高性能锂离子电池的市场需求，必须寻找能够在低电势下保持高容量的石墨替代材料。近年来，硅合金、锡合金及SnO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Co₃O₄、MnO₂、MoO₃等金属氧化物成为国内外的研究热点。在众多氧化物中，氧化锡（SnO₂）具有很高的理论储锂容量（782mA·h·g^-1），作为锂离子电池负极材料可有效提高锂离子电池的能量密度，同时其安全性好、资源储备量丰富，是最具发展潜力的可代替石墨的锂离子电池负极材料之一。然而目前阻碍其实际应用的主要问题是其在循环充放电过程中会有较大的体积变化（300%），负极材料容易粉化，导致循环性能较差。此外，这类金属氧化物还存在导电性差的普遍问题，这也是影响其实际应用的一个重要因素（赵书平,王婵,杨正龙,姜玮. 锂离子电池负极材料二氧化锡的研究进展[J]. 材料导报,2016,30(01):136-142；刘瑞平,苏伟明,李佳鑫,沈超,张超,贺鹏,王琪. SnO₂基锂离子电池负极材料研究进展[J]. 科技导报,2017,35(08):60-69）。

提高二氧化锡锂离子电池负极材料储锂性能的常用策略是制备二氧化锡复合材料，包括TiO₂、Co₃O₄、Fe₂O₃等金属氧化物以及碳与二氧化锡的复合材料，由于不同组分之间的协同作用，能够有效提高二氧化锡负极材料的电化学性能。其中二氧化锡/碳（包括无定形碳、石墨烯、碳纳米管）复合材料尤为引人关注。一方面，柔性的碳层可以缓冲充放电过程中体积变化所引起的应力破坏（软垫效应）；另一方面，高导电性的碳层还可以提高电极材料的导电性，使电极的电化学性能和循环性能都得到显著提高。例如北京化工大学张慧娟以炭黑为原料，硝酸铁为催化剂前驱体，氮气气氛下1000℃高温炭化制备了直径为40nm的中空洋葱状碳纳米颗粒（OC）。用SnCl₂/乙醇溶液浸渍，空气中350℃氧化得到SnO₂/OC复合材料。进一步对该复合材料进行酸处理制备OC包覆的SnO₂电极材料（张慧娟,宋怀河,周继升,张洪坤,陈晓红. SnO₂/中空洋葱状碳纳米复合材料的制备及电化学性能[J]. 物理化学学报,2010,26(05):1259-1263）。

发明内容

本发明提供一种二氧化锡/多孔碳复合锂电池负极材料及制备方法。

本发明通过下述技术方案予以实现：

配制质量分数1%-5%的丝素蛋白水溶液，缓慢加入1-100g/L的PAMAM水溶液，其中丝素蛋白与PAMAM的质量比为5:1-1:1，80℃匀速搅拌反应24h，然后倒入模具中，置于-25℃冰箱中预冻12h后，再放入冷冻干燥机中冻干处理48h得到丝素/PAMAM复合材料；将上述丝素/PAMAM复合材料浸渍在质量分数1%-5%的硫酸亚锡（SnSO₄）水溶液中30-60min，浴比1:30，去离子水冲洗后，置于氩气保护下的马弗炉中200℃热处理1-2h，其中升温速率为5℃/min，随后升温至400-450℃热处理1-3h，其中升温速率为10℃/min，自然冷却至室温后，得到二氧化锡/多孔碳复合锂电池负极材料。