[发明专利]一种多孔碳骨架包覆锡复合电极材料的制备方法

说明书

一种多孔碳骨架包覆锡复合电极材料的制备方法，属于电极材料制备技术领域。本发明采用水溶性锡源、丙烯酰胺、交联剂和引发剂配制得到凝胶前驱体溶液并经聚合形成三维网络结构的凝胶，再对凝胶进行低温碳化处理，得到锡基碳复合电极材料。本发明通过制备聚丙烯酰胺凝胶复合锡源并有效分散，低温碳化形成的碳骨架能够固定二氧化锡纳米颗粒，改善了锡基材料在充放电过程中体积膨胀大、易造成粉化的现象；并且聚丙烯酰胺在提供碳源的同时原位掺杂氮原子，有助于提高材料导电率；生成二氧化锡粒径小于10nm，有利于增加化学反应位点，表现出高的比容量，大的能量密度和良好的倍率性能；相比现有工艺具有制备工艺简单，制备温度低，工艺成本低的优势，易于工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种多孔碳骨架包覆锡复合电极材料的制备方法。

背景技术

目前，新能源技术领域已成为世界各国积极大力研究的焦点，随着不可再生能源的减少以及严重的环境问题，开发和利用新能源变得刻不容缓。伴随着新能源的开发出现了能量储存及转化的问题。人们对化学储能器件的关注与日俱增。化学储能器件作为重要的能量储存及转化装置，凭借其能量密度高、使用方便、能量转化效率高、污染小以及能承受各种环境的考验等优点，得以在各方面实现广泛使用。电极材料作为化学储能器件不可或缺的重要组成部分，已成为世界各国大力研究的焦点，是化学电源性能发挥和实现大规模产业化的关键。

二氧化锡(SnO₂)作为电极材料由于其具有高的体积比容量，较高的理论比容量(1494mAh/g)，较低的嵌锂电位，自然资源丰富，无毒副作用，价格便宜以及环境友好等优势收到研究者的广泛关注，但是SnO₂材料面临一些问题亟待解决，如：锂离子电池应用中作为负极材料，锂离子嵌入和脱出过程中，SnO₂会产生巨大的体积膨胀，循环过程中使得SnO₂团聚、电极材料粉化，电池电阻增大，活性物质与集流体之间的电子缺失，使得锂离子电池容量急剧衰减；另外SnO₂材料导电性能较差，不能满足其应用要求。为了改善二氧化锡在化学电源充放电过程中发生体积变化和机械应力，现有技术中采用碳材料作为缓冲基体控制二氧化锡的体积膨胀和机械应力。碳材料在充放电过程中的体积变化很小，当它与金属锡形成复合材料时，碳基体不仅可以有效克服金属锡因体积膨胀带来的缺陷，而且本身具有导电性良好，储量丰富、价格低廉和研究技术成熟等优点。

目前，锡碳复合材料的合成方法主要有以下三种：第一种是利用碳氢化合物在水热、溶剂热或者隔绝氧气的条件下热分解碳化；第二种是采用化学气相沉积法，利用含碳量高的烃类物质在活性物质表面热分解，沉积碳层；第三种是采用电化学沉积法，使得有机物在高电压条件下碳化形成碳层。由于目前化学合成过程中碳化温度都很高，并且制得二氧化锡粒径较大。而研究发现金属氧化物电极的电化学性能与其粒径有关，粒径越小，越接近于其理论容量。Wang在《Complexing agent engineered strategy for anchoring SnO2nanoparticles on sulfur/nitrogen co-doped graphene for superior lithium andsodium ion storage》一文中报道了采用冷冻干燥然后再进行600℃热处理，制备出锡碳复合负极材料中嵌入石墨烯的二氧化锡粒径仅为5nm左右，但电极材料的容量仅有700mAh/g左右，并且最高倍率仅有2C；另外，尽管通过现有合成方法能够在一定程度上改善锡作为电极活性物质的电化学性能，但它们受到严格的合成条件，复杂的合成过程，繁琐的工艺步骤，工艺重复性差等因素的影响，限制了材料的大规模实际应用。因此，对于锡碳复合材料的合成而言，不仅要求合成材料具备优异的电化学性能，同时也要求合成工艺简单可靠，利于工业化生产。

发明内容

针对现有锡碳复合材料制备操作复杂、耗时耗能，且比容量和倍率特性欠佳的问题，本发明提供一种多孔碳骨架包覆锡复合电极材料的制备方法，基于该方法得到的二氧化锡粒径小于10nm，并且比容量和倍率特性表现良好。

本发明提供的技术方案如下：