[发明专利]一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用。该Sn基复合材料，包括若干个蛋黄‑壳结构，单个蛋黄‑壳结构包括一碳壳包覆层；所述碳壳包覆层内为空腔结构，所述碳壳包覆层内设有若干个金属Sn内核；所述若干个金属Sn内核的体积小于所述碳壳包覆层内的容积；单个蛋黄‑壳结构中，所述空腔结构与所述若干个金属Sn内核的体积比为(0.3～8):1。本发明的Sn基复合材料用于锂离子电池负极材料，展现了高的容量、快速的反应动力学和优异的储锂稳定性。

技术领域

本发明涉及一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用。

背景技术

开发兼具高容量、快充和高安全特性的电极材料以发展下一代高性能锂离子电池已经成为了研究者当前的共识。目前，石墨负极材料的实际使用容量已经达到355mAh·g^-1以上，接近其理论容量(372mAh·g^-1)，同时其层间距较窄且动力学迟缓，难以满足下一代锂离子电池对高能量和功率密度的需求。金属Sn具有安全的嵌锂电位和高的理论储锂容量(994mAh·g^-1)，是一类极具实用潜力的负极材料。然而，金属Sn作为负极材料在充放电过程中会出现巨大的体积效应，极易导致电极材料的粉化、脱落。此外，金属Sn与电解液直接接触时通常会催化后者的分解，造成金属Sn表面的SEI膜不稳定，进一步限制了其长循环能力。这些都成为了阻碍Sn基复合材料作为负极材料发展的重要因素。

包覆技术可以有效避免金属Sn与电解液的接触，同时包覆层也能够一定程度上缓解脱嵌锂过程中的体积变化，成为了近年来改善Sn等合金类负极材料储锂性能的主要手段。根据包覆形式的不同可分为：核壳结构和蛋黄-壳结构，包覆层通常为碳材料。核壳结构中核与壳接触紧密，能够获得好的动力学，但是由于没有预留缓冲空间，导致材料无法适应膨胀应力，最终造成循环较差。蛋黄-壳结构中多余的空间可以缓冲体积膨胀，有效克服了上述问题。然而，传统蛋黄-壳结构中核与壳之间为单点接触(即单壳和单核之间的接触)，导致接触电阻较大，不利于动力学提升。例如，现有技术中，Sn基复合材料在4C下，其放电容量一般在350mAh/g以下、循环性能一般能达到100～500周不等，容量保持率在85％以下，其倍率和循环性能有待提高。

因此，开发一种简单、高成本效益的制备方法，可控构建高稳定且反应动力学较快的Sn基复合材料仍是当前的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术中蛋黄-壳结构的Sn基复合材料的接触电阻大，反应动力学迟缓的缺陷，提供了一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用。本发明提供的Sn基复合材料作为锂离子电池负极材料展现出高的容量、快速的反应动力学和优异的储锂稳定性。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题。

本发明提供了一种Sn基复合材料，其包括若干个蛋黄-壳结构，

单个蛋黄-壳结构包括一碳壳包覆层；所述碳壳包覆层内设有若干个金属Sn内核；所述若干个金属Sn内核的体积小于所述碳壳包覆层内的容积；所述若干个金属Sn内核和所述碳壳包覆层中间空隙部分形成空腔结构；

单个蛋黄-壳结构中，所述空腔结构与所述若干个金属Sn内核的体积比为(0.3～8):1。

本发明中，所述蛋黄-壳结构一般是指在内核与外壳间引入空隙部分，形成了一种多相复合材料的结构；其中，所述蛋黄结构为金属Sn内核，所述壳结构为碳壳包覆层。

本发明中，所述单个蛋黄-壳结构中，所述空腔结构一般是指在单个蛋黄-壳结构中，所述碳壳包覆层和多个金属Sn内核中间的空隙部分。

本发明中，所述单个蛋黄-壳结构中，所述若干个金属Sn内核一般是指在单个蛋黄-壳结构中全部的金属Sn。