[发明专利]一种量子点氧化锡负载多壁碳纳米管复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于锂离子二次电池的技术领域，公开了一种量子点氧化锡负载多壁碳纳米管复合材料及其制备方法与应用。方法：1)将锡盐溶于水中，得到锡盐溶液；2)将多壁碳纳米管与锡盐溶液混匀，获得悬浊液A；3)将悬浊液A置于气液放电等离子体反应装置中，在氩气等离子体气氛下进行放电反应，得到悬浊液B；后续处理，获得量子点氧化锡负载多壁碳纳米管复合材料；所述多壁碳纳米管的用量满足：锡离子与多壁碳纳米管的质量比为(0.04～0.8)：1。本发明的方法高效，操作简单，成本较低，可实现量子点氧化锡碳复合材料规模化生产。本发明的材料用于锂离子电池，可显著提高电极材料的循环稳定性能具有优秀的电化学性能。

技术领域

本发明属于纳米功能材料和锂离子二次电池的技术领域，具体涉及一种利用气液相等离子体放电还原技术制备量子点氧化锡负载多壁碳纳米管材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池(Lithium-ion Batteries,LIBs)是由负极(也称阳极)和正极(阴极)材料组成，通过Li离子(Li⁺)在正负极之间往复的嵌入和脱出运动实现电能储存的一种可充电能量存储装置。在放电期间，Li离子通过非水电解质和隔膜将从阳极传输到阴极；而在充电期间，该过程则向相反方向进行。

LIBs具有能量密度高(比容量高)、重量轻、寿命长、无记忆效应等优点。锂离子电池的比容量主要由正极和负极材料所决定。但目前商用锂离子电池中使用的负极材料石墨的理论容量(～372mAh g^-1)和放电电位(～0.1V vs.Li⁺/Li，容易过充，特别是低温下造成锂枝晶沉积，刺穿隔膜形成短路，发生安全事故)均相对较低，所以其并不能满足人们对下一代锂离子电池的需求(更高容量、更长寿命和宽温域下安全性)。因此，需要开发出具有高比容量、放电电位适中且具有良好循环性能的可替代负极材料。在各种负极材料中，氧化锡因具有高的理论比容量(1490mAh g^-1，是石墨的近4倍)、适中的放电电位(～0.6V vs.Li⁺/Li)、易于制备、成本低和环境友好等特点而受到极大的关注。然而，相比于容量低但是循环十分稳定的石墨负极而言，氧化锡负极还存在不可忽视的诸多挑战，首先，在转化反应及合金化反应完全发生时会引起负极体积发生较大膨胀(～300％)，充放电过程中体积的较大变化引起负极材料容易粉化脱落；其次，在充电/放电过程中，形成的导电性较差的氧化锂在锡表面会阻碍内部合金反应进行，导致反应可逆性降低，循环性能不稳定；此外，由于锡具有较低的再结晶温度(-71℃)，所以去合金化反应形成的锡颗粒常温容易聚集长大，导致电化学反应动力学降低，进一步降低循环可逆性。

为了解决上述问题，人们进行了一些研究。例如中国发明专利申请CN201811493527.7提供了一种制备量子点氧化锡/氟化石墨烯复合材料的方法，首先将含锡的盐溶解于去离子中，再加入表面活性剂，在20～70℃温度下充分搅拌1～5小时得到含锡的溶液，再将该溶液与超声后的单层氟化石墨烯分散液混合，经150～210℃溶剂热反应5～30小时之后，离心干燥后得到氧化锡量子点/氟化石墨烯复合负极材料。该方法所制备的量子点氧化锡均匀分散于氟化石墨烯的层间，且应用于钠离子电池能够表现较好性能。然而，该方法的实验耗时较长，能耗较多，制备流程复杂，达不到规模化生产所需的短流程工艺。中国发明专利CN201610048028.1利用SnCl₂·2H₂O的水解特性，引入硫脲作为催化剂和稳定剂，在常温下搅拌12-24小时，得到黄色澄清透明的SnO₂量子点溶液，并与碳纳米管混合搅拌一段时间后过滤干燥得到量子点氧化锡/碳纳米管复合材料。该方法制备过程不需高温反应，能耗较低，实验操作也较为简便，应用于锂离子电池负极可以表现较好电化学性能。但是，该方法所制备的量子点氧化锡占比过高，颗粒分布十分密集，使得量子点颗粒容易聚集变大，不利于循环稳定性。纵观目前大多制备量子点氧化锡复合材料的方法，均不能在简单、高效、清洁生产的前提下，实现均匀纳米小尺寸氧化锡的可控制备，这些都极大限制了量子点氧化锡复合材料负极在实际中的规模生产及应用推广。

发明内容