[发明专利]一种二氧化锡-碳核壳纳米球复合材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种二氧化锡‑碳核壳纳米球复合材料、其制备方法及应用，属于锂离子电池电极材料技术领域。所述的二氧化锡‑碳核壳纳米球复合材料为有由氮掺杂碳形成的壳层和碳中均匀镶嵌二氧化锡的核心组成的复合材料，其中导电氮掺杂碳壳层完整包覆二氧化锡‑碳中心纳米球，同时二氧化锡颗粒的粒径约为2nm~5nm，且不含有粒径大于50nm以上的二氧化锡大颗粒。该复合材料不仅有效缓解了SnO₂的体积膨胀，而且显著提高了电导率，并提供了快速的电子传递途径。同时，氮掺杂碳壳也起到了盔甲的作用，以确保在循环过程中SnO₂/碳复合纳米球的结构稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料技术领域，具体涉及一种二氧化锡-碳核壳纳米球复合材料、其制备方法及应用。

背景技术

随着电动汽车的快速发展，人们对锂离子电池提出了更高的要求。常用的石墨负极由于比容量低(372 mAh g^-1)，无法满足高能耗需求。高理论容量的金属氧化物作为高效锂离子电池的替代负极材料受到了广泛的关注。二氧化锡(SnO₂)因其理论容量较高(1494mAh g^-1)、低毒、天然丰度高而得到了广泛的研究。Sn和Li的合金化过程(Sn+4.4 Li+4.4 e^-⇋Li4.4Sn)对LIBs能力有重要贡献，但该过程由于体积膨胀大(完全锂化时≈300%)，导致磨粉、聚集，容量衰减快，速率性能差。在过去的几十年里，人们为探索SnO₂作为下一代阳极付出了大量的努力，但容量衰减快、速率性能差的问题仍然没有得到解决。

为了解决这些问题，需要进一步开发先进架构的SnO₂基负极材料。合理设计纳米SnO₂结构能够有效控制锂化/脱锂化引起的内部应变，是一种能够提供更好可逆性的策略。此外，纳米SnO₂还可以有效缩短Li离子的扩散路径，增加与电解质的接触面积，从而提高倍率性能。然而，由于纳米SnO₂的自聚集性和低导电性，导致纳米化SnO₂负极材料的循环性能仍然受到限制。第二种策略是设计二氧化锡-软材料纳米复合材料(如SnO₂-carbon)来解决自聚集等问题。碳基体作为阻挡层，防止Li_xSn聚集，作为导电层，促进电子传导。同时，碳基体的多孔结构可以部分容纳Li_xSn的体积变化，促进Li+的快速运移。第三种有效的方法是在纳米SnO₂颗粒表面包覆高导电性材料(如N掺杂碳)，可以显著提高导电率，稳定固电解质界面(SEI)，并在充放电过程中保持机械完整性。虽然上述三种解决问题的方法都可以一定程度改善SnO₂基LIBs的电化学性能，但合成具有高速率性能和稳定循环性能的SnO₂基负极材料仍然是一个艰巨的挑战。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种二氧化锡-碳核壳纳米球复合材料、其制备方法及应用，本发明的制备方法简便易行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种二氧化锡-碳核壳纳米球复合材料的制备方法，过程如下：

（1）制备聚合物微球(pMS)：在干燥烧瓶中将乙二醇二甲基丙烯酸酯(1.5 g ~2.5g)，α-甲基丙烯酸(6.0 g ~10.0g)，偶氮二异丁腈(0.1 g ~0.4g)溶解在300~500 mL乙腈中，蒸馏沉淀共聚后，用无水乙醇对产物静置钝化，得到粒径范围200~500 nm的聚合物微球(pMS)；