[发明专利]一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种水凝胶衍生的Sn‑Fe‑C微纳材料，还公开了上述水凝胶衍生的Sn‑Fe‑C微纳材料的制备方法以及其在锂离子电池负极材料方面的应用。本发明Sn‑Fe‑C微纳材料作为锂离子电池负极材料，在结构上，该Sn‑Fe‑C微纳材料同时具有纳米结构单元和微米组装体的结构特性，能表现出良好的结构稳定性以及电荷传输能力；在组成上，Sn与Fe以及Sn‑Fe合金与碳介质在该Sn‑Fe‑C微纳材料中高度均匀分布，可充分发挥金属铁和碳介质对锡组分的缓冲/导电作用；因此，本发明Sn‑Fe‑C微纳材料能表现出良好的储锂性能，具体体现在具有好的循环稳定性、高的比容量和倍率特性。

技术领域

本发明涉及一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料，还涉及上述Sn-Fe-C微纳材料的制备方法以及该Sn-Fe-C微纳材料在锂离子电池负极材料方面的应用。

背景技术

目前，全球正面临能源危机与环境污染两大严峻挑战。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应和环境友好等优点，在电动汽车、电网调峰和可再生能源存储等交通和储能领域都显示出了诱人的前景，对能源节约与高效利用、降低碳排放和环境保护具有重要的意义，已成为全球关注的焦点。当前，商业化锂离子电池负极材料主要采用石墨类碳材料，但石墨的理论比容量仅为难以满足动力电池的需求。为了克服这一难题，除了对碳材料进行改性研究之外，寻求新的负极体系也是重要的途径之一。

锡基合金(Sn-M，M＝Fe、Co、Ni、Sb、Bi、In，etc)特别是锡铁(Sn-Fe)合金具有比容量高、安全性好、原料易得和环境友好等优点，有望取代当前商业化的碳基材料而成为锂离子动力电池的负极材料。然而，Sn-Fe合金的合金化/去合金化储锂过程在带来高比容量的同时，也会引起巨大的体积变化，导致Sn-Fe合金的粉化和比容量的快速衰减。当前，研究工作集中于从Sn-Fe合金基负极材料的结构和组成两个方面来设计进而改善其储锂性能。在结构方面，微纳分级结构同时具有纳米结构单元和微米组装体的结构特性，因而能表现出良好的结构稳定性以及电荷传输能力；在组成方面，将Sn-Fe合金与碳材料复合形成Sn-Fe-C复合材料，利用碳介质可有效缓冲Sn-Fe合金的体积变化并提高其电荷传输能力，从而改善Sn-Fe合金的储锂性能。因此，Sn-Fe-C微纳材料作为锂离子电池负极材料同时具有结构和组成优势，有望表现出理想的储锂性能从而满足动力电池的需求。

在Sn-Fe-C负极材料方面，当前报道主要集中在利用球磨过程将锡粉、铁粉和碳粉转变为Sn-Fe-C微米材料，以及利用液相还原过程将Sn-Fe合金沉积到纳米碳介质的表面形成Sn-Fe-C纳米材料。然而，一方面，上述球磨法和液相还原法得到的产物为单一的微米材料或纳米材料，难以制备由纳米单元组装而成的微米材料(微纳材料)，另一方面，上述方法难以实现Sn与Fe以及Sn-Fe合金与碳介质在纳米尺度的均匀分布，未能充分发挥金属铁和碳介质对锡组分的缓冲/导电作用；从而无法获得高性能Sn-Fe-C负极材料，制约了其商业化应用。因此，研发一种制备Sn-Fe-C微纳材料的新方法，该方法能够得到Sn与Fe以及Sn-Fe合金与碳介质的高度均匀分布，对于获得高性能Sn-Fe-C负极材料并推进其实用化具有重要的理论和实践意义。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料。

本发明还要解决的技术问题是提供上述水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料的制备方法。

本发明最后要解决的技术问题是提供上述水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料在锂离子电池负极材料方面的应用。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：

一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料，所述Sn-Fe-C微纳材料为：由碳前驱体热处理形成的碳纳米组分以及Fe-C≡N-Sn结构单元热处理生成的Sn-Fe纳米合金沿凝胶前驱体骨架相互连接形成的由纳米单元组装成的微米网络结构，其中，Sn-Fe纳米合金均匀分布在纳米多孔网络结构的内部。