[发明专利]一种高容量氮掺杂炭包覆SnOx

说明书

本发明为一种高容量氮掺杂炭包覆SnO_x量子点锂离子电池负极材料的制备方法。该方法包括如下步骤：(1)锡酸锌前驱体的制备；(2)制备由聚二烯二甲基氯化铵和聚对苯乙烯磺酸钠修饰后的锡酸锌前驱体；(3)将修饰后的锡酸锌前驱体转移到容器中，然后加入甲醇，再依次加入硝酸锌和2‑甲基咪唑，搅拌反应后得固体粉末；(4)在600～1000℃进行热处理1～5小时后，得到高容量氮掺杂炭包覆SnO_x量子点锂离子电池负极材料。本发明得到的复合材料在0.2A g^‑1的电流密度下循环100圈后的可逆比容量达到1824mAh g^‑1，远远高于SnO₂的理论比容量。

技术领域

本发明隶属于储能材料领域，具体为发展了一种高容量氮掺杂炭包覆SnO_x(x＝0,1和2) 量子点锂离子电池负极材料的制备方法。本发明采用聚二烯二甲基氯化铵溶液和聚对苯乙烯磺酸钠对二元氧化物前驱体锡酸锌进行修饰，通过静电吸附作用在前驱体表面诱导ZIF-8生长，从而实现对锡酸锌的均匀可控包覆。经过高温热解，前驱体裂解为SnO_x量子点并均匀分布在纳米炭网络中。该材料在低电流密度下循环后具有超高可逆比容量。这种炭包覆SnO_x量子点负极材料的新型制备方法为高比能量锡负极的应用奠定了基础。

背景技术

电动汽车、混合动力汽车和许多电子设备的发展推动了高效储能装置的研究。锂离子电池因为具有能量密度高、自放电弱、循环寿命长等优点，成为近年来的研究热点。石墨是目前应用最广泛的锂离子电池负极材料，它具有化学性质稳定、充放电电位平台低、体积膨胀不明显等优点。但是，石墨的理论比容量较低，只有372mAh g^-1。作为一种极具发展潜力的储能材料，SnO₂、SnO和Sn材料的理论比容量分别高达1494mAh g^-1、1231mAh g^-1和994mAh g^-1，远远高于石墨的理论比容量。然而锡基负极材料在充放电过程中会产生较大的体积膨胀，导致电极材料的粉化和脱落，限制了其在储能领域的应用。缓解活性材料充放电过程中体积膨胀最有效的方法是对其进行炭包覆。

目前，关于炭包覆锡基负极材料的制备主要是将大尺寸的锡基材料与石墨烯、碳纳米管等炭材料进行复合或将锡基材料负载到多孔炭基质中。例如，Liu等通过简单一步法制备了 SnO₂/石墨烯复合材料，该材料在0.05A g^-1的电流密度下循环90圈后的可逆比容量达到1280 mAh g^-1。以上制备方法存在的问题是，锡基材料与炭基质通过简单混合的方式进行复合，活性物质和炭包覆层之间的联系不够紧密，无法实现对锡基材料的有效包覆和对活性物质体积膨胀的抑制。同时，炭包覆层无法有效促进充放电过程中锡基材料容量的全部释放。因此，开发新型炭包覆锡基负极材料的制备方法获得了研究者广泛关注。

缓解活性材料体积膨胀的另一方法是在制备过程对锡基材料的形貌进行控制，例如将其制备为中空纳米颗粒或纳米棒等，为充放电过程中的体积膨胀提供一定的缓冲空间，缓解活性材料的粉化和脱落。研究者发现，将活性材料制备成纳米级，不仅可以缓冲锡基材料在充放电过程中的体积膨胀，还可以实现SnO_x和Sn之间的可逆转换，进而提高材料的可逆比容量。Zhang等对碳纳米管进行表面修饰，并在管壁表面原位生长了SnO₂/Sn纳米颗粒，所得材料在1A g^-1的电流密度下的可逆容量达到1059mAh g^-1。但是，上述制备方法存在的问题是纳米锡基材料在合成过程中由于其表面能较大，导致纳米颗粒的团聚，同时，团聚的纳米颗粒在包覆过程中不易分散，进而造成包覆不均匀。发展新方法抑制纳米锡的聚集生长同时获得高的可逆比容量是目前负极材料面临的挑战。

发明内容