[发明专利]一种单原子锡基复合碳材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种单原子锡基复合碳材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括：将锡盐、酚类物质、醛类物质以及溶剂混合，并进行聚合反应；将所述聚合反应的产物进行固液分离，对所得固体进行炭化处理后得到所述单原子锡基复合碳材料。所述制备方法可以使锡成原子级分散于碳材料基体上，所述单原子锡基复合碳材料用于锂离子电池负极材料时，可以提高锂离子电池的可逆容量以及循环寿命。

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种复合碳材料，尤其涉及一种单原子锡基复合碳材料及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池已广泛应用在日常生活的诸多领域，如3C产品、电动交通工具等。以石墨负极为代表的传统负极材料已无法满足更高的能量密度需求，因此开发具有更高容量密度的新型负极材料是十分必要的。锡基负极材料具有高达994mAh g^-1的理论容量和合适的工作电压(～0.6V vs.Li/Li⁺)，引起人们的广泛关注。但是在嵌锂过程中锡颗粒会产生巨大的体积膨胀，进而造成颗粒破碎、电极结构粉化与脱落、与集流体失去电接触等一系列问题，表现出容量的快速衰减，甚至还会造成电池安全问题。同时单质锡材料的导电性较差，影响其倍率性能。上述问题严重限制了锡基负极材料的发展。

锡/碳复合策略被认为是一种可以有效缓解锡基材料体积膨胀和导电性差等问题的方法。CN112794305A公开了一种空心炭纳米球限域锡纳米簇复合材料的制备方法，利用聚合反应将锡纳米簇限域在空心炭纳米球中。纳米化锡金属材料有利于缓解材料的体积膨胀问题，空心碳纳米球骨架则有利于提升材料的导电性。CN112928266A公开了一种石墨烯包覆纳米多孔锡复合材料制备方法，以锡镁合金和氧化石墨烯为原料，经过原位还原和选择性刻蚀步骤后得到石墨烯包覆纳米多孔锡复合材料。由于石墨烯包覆层的存在，材料的导电性得到提升，同时还有助于缓解锡负极材料的体积膨胀。此外，CN112436127A公开了一种以柠檬酸盐和二价锡盐为原料制备纳米结构锡/碳复合材料的方法，专利CN112599738A公开了一种锡纳米球/三维介孔碳复合材料的制备方法。纳米化复合策略仅在一定程度上缓解了上述问题，并非一种十分有效的方法。

原子级分散的锡基复合材料或许可以有效解决颗粒在嵌锂过程中发生严重体积膨胀的问题，同时还可以利用碳骨架结构改善材料的导电性。Zhang等人(NationalScience Review 2020,7:600-608)报道了一种CuO负载Zn-Sn单原子对复合材料的方法，先将铜盐和锡盐在冰浴中溶解形成均匀溶液，加入碱液后再经过冷藏、水热、洗涤、干燥等步骤得到Sn/CuO复合材料，然后再将Sn/CuO分散到乙醇溶液中，缓慢加入锡盐的水溶液后再经过老化、过滤、洗涤、干燥、煅烧等步骤，最终得到CuO负载Zn-Sn单原子对复合材料。Chou等人(Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,22171–22178)报道了一种单原子催化剂的普适合成策略，向过硫酸铵溶液中缓慢加入含有CTAB、吡咯和P-TSNa的盐酸溶液，0-5℃条件下反应24h后过滤出沉淀物，再经过洗涤、真空干燥后得到S-PPy材料，然后将其超声分散在乙醇溶液中，加入金属盐后搅拌至乙醇完全挥发，最后再经过炭化处理后即可得到单原子复合碳材料，包括V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ge、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、W、Ir、Pt、Pb、和Bi等。上述文献报道的单原子材料制备流程复杂、条件苛刻、工艺成本较高，无法满足单原子材料的工业化应用需求。此外，到目前为止还没有关于单原子复合碳材料作为锂离子电池负极材料的报道。因此，亟需开发出一种工艺简单、成本低廉且可以规模化生产的制备单原子锡基材料方法，并将其用作高能量密度锂离子电池负极材料。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种单原子锡基复合碳材料及其制备方法和用途，所述制备方法可以使锡成原子级分散于碳材料基体上，所述单原子锡基复合碳材料用于锂离子电池负极材料时，可以提高锂离子电池的可逆容量以及循环寿命。

为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：