[发明专利]一种N掺杂多孔碳纳米纤维@二氧化锡锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种N掺杂多孔碳纳米纤维@二氧化锡锂离子电池负极材料及其制备方法，其特征在于：首先通过静电纺丝法制备出含ZIF‑8的纳米纤维，再在惰性气体保护下经过高温煅烧，制得多孔碳纳米纤维CNF；然后通过水热法在多孔碳纳米纤维CNF的外表面包覆一层SnO₂纳米颗粒，获得CNF@SnO₂纳米复合材料；最后再在复合材料外面包一层聚吡咯PPy，并对其高温煅烧，即获得用于作为锂离子电池负极材料的N掺杂CNF@SnO₂纳米复合材料。本发明为可充放电的锂离子电池负极材料，有效解决了金属SnO₂纳米颗粒在电池充放电过程中的稳定性差和导电性能差的问题，改善了电池的循环性能和倍率性能；且本发明的制备方法简单，有望实现大规模生产，因此具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种N掺杂CNF@SnO₂锂离子电池负极材料及其制备方法，属于电化学能源领域。

背景技术

随着全球经济的增长，能源问题已成为全球性关注的焦点问题。能源的需求量在不断地增加，传统的化石能源仍主要是煤、碳、石油等，存储量有限，利用率低。因此，为了解决能源危机和缓解环境污染的压力，寻求可持续的、清洁高效的新能源体系迫在眉睫。

由于锂离子电池(LIB)具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应和环境友好等优越性能，因此已被广泛用于便携式电子设备(例如笔记本电脑，电动交通工具)，其最常用的负极材料是石墨(372mAh g^-1)。然而，石墨具有相对低的比容量，并且在高电流速率下循环时，由于极化而面临Li电镀的问题。许多金属和金属氧化物由于其理论容量高、天然丰度高、成本低而被广泛研究作为潜在的高性能电极。例如，SnO₂的理论容量高达782mA h g^-1，远远高于传统石墨负极(≈370mA h g^-1)。因此一般以Sn基材料(如SnO₂和Sn)为代表的锂合金负极材料，例如纳米材料(SnO₂纳米线)、中空材料(SnO₂空心球)的受控制造，以及碳基复合材料(例如，碳包覆的SnO₂)已被广泛研究。然而，在充放电过程中，这些Sn基阳极经历剧烈的粉碎，具有巨大的体积膨胀和连续形成的固体电解质界面(SEI)层。因此，这些合金阳极通常具有非常有限的循环能力。若要为用于LIB阳极的Sn基材料的商业应用铺平道路，应该仔细处理这些问题以实现改善的循环性能。

因此，改善这些SnO₂材料的循环性能及其过程中体积膨胀问题，对于其作为锂离子电池负极材料具有很大的指导意义。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种N掺杂多孔碳纳米纤维@二氧化锡锂离子电池负极材料及其制备方法，旨在解决二氧化锡的稳定性和在电池充放电过程中的体积膨胀问题，改善了电池的循环性能和倍率性能、提高电池稳定性。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明首先公开了N掺杂多孔碳纳米纤维@二氧化锡锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：首先用聚丙烯腈PAN和金属有机框架ZIF-8作为前驱体，通过静电纺丝法制备出含ZIF-8的纳米纤维，再在惰性气体保护下经过高温煅烧，制得多孔碳纳米纤维CNF(主要为介孔)；然后通过水热法在所述多孔碳纳米纤维CNF的外表面包覆一层SnO₂纳米颗粒，获得CNF@SnO₂纳米复合材料；最后再在所述CNF@SnO₂纳米复合材料外面包一层聚吡咯PPy，获得CNF@SnO₂@PPy纳米复合材料，对其高温煅烧，即获得用于作为锂离子电池负极材料的N掺杂CNF@SnO₂纳米复合材料。具体包括如下步骤：