[發(fā)明專利]納米金屬錫與石墨復合負極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310412628.8
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN103531758A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設計）人: 曾宏;武英;趙海花;況春江;周少雄
• 申請（專利權(quán)）人: 安泰科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/48;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京五洲洋和知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 11387
• 代理人: 劉春成;張向琨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池電極材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種原位合成納米金屬錫與石墨復合負極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池由于具有高工作電壓、高比能量、容量大、體積小、無污染等突出優(yōu)點成為當今國際公認的理想化學能源，廣泛應用于移動電話、手提電腦等電子產(chǎn)品，日益擴大的電動汽車領(lǐng)域?qū)⒔o鋰離子電池帶來更大的發(fā)展空間。

負極材料是影響鋰離子電池性能的關(guān)鍵之一。目前廣泛應用的碳類材料具有良好的循環(huán)壽命，但其理論容量較小（372mAh/g），體積比容量更是沒有優(yōu)勢，因此，難于滿足對電池高容量的要求。納米材料，由于其獨特的表面效應、小尺寸效應、量子效應和宏觀量子隧道效應及其在磁性、非線性光學、光發(fā)射、光電導、導熱性、催化、化學活性、敏感特性、電學及熱學等方面所表現(xiàn)出的奇特性能引起了材料科學家的廣泛關(guān)注。它們在許多領(lǐng)域有著重要的應用，如鋰離子電池、傳感器、光和電致發(fā)光設備、能量轉(zhuǎn)換和存儲設備、智能交換機和自清潔材料等。金屬錫是現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的關(guān)鍵稀有金屬，號稱“工業(yè)味精”，廣泛應用于電子、信息、電器、化工、冶金、建材、機械、食品包裝等行業(yè)。因為其具有獨特的光、電及傳感器性能而被廣泛運用于太陽能電池、鋰離子電池、光電導體、氣體傳感器等。特別是當Sn尺寸從三維空間降低至納米尺度，其結(jié)構(gòu)和性能都有很大改觀，因此引起了科研工作者的廣泛興趣。納米結(jié)構(gòu)的錫主要為零維和一維結(jié)構(gòu)，諸如納米顆粒、納米管、納米線等。金屬錫具有較高的理論容量（991mAh/g），但是錫在充放電過程中產(chǎn)生較大的體積膨脹，材料的內(nèi)應力很大，容易造成電極材料的剝離、粉化和破環(huán)，從而表現(xiàn)出較差的循環(huán)性能。目前，提高錫循環(huán)性能的最有效方法之一就是將納米尺度的金屬錫顆粒分散于碳基體中。但是錫的熔點低，所以制備納米尺度的錫顆粒均勻分散于碳基體中仍是一個難點。

常見的制備錫/碳復合材料的方法有溶膠-凝膠、濺射、激光刻蝕、熱蒸發(fā)和熱化學氣相沉積。但是通過這些方法制備的納米材料存在著一些缺點，比如高的生產(chǎn)成本、過低的產(chǎn)量、工藝復雜、生產(chǎn)過程中采用了大量有毒物質(zhì)以及產(chǎn)品中常含有SnO₂和SnO雜質(zhì)，這些缺點極大的限制著它們的應用。因此采用高效低廉更簡單的方法獲得具有特定結(jié)構(gòu)的納米材料在其具體應用上具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種納米金屬錫與石墨復合負極材料及其制備方法。該方法簡單易行，獲得的材料不僅具有比較大的比表面積，而且電化學性能良好，其為一種原位可控合成納米金屬錫與石墨復合負極材料的制備方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種納米金屬錫與石墨復合負極材料，所述納米金屬錫顆粒均勻分布于石墨基體中，所述納米錫顆粒平均粒徑在100nm以內(nèi)，所述復合負極材料中碳與錫的摩爾比為12:1-112:1。

在上述復合負極材料中，優(yōu)選地，所述復合負極材料中碳與錫的摩爾比為30:1-40:1。

上述復合負極材料，既能緩解充放電過程中錫顆粒的體積效應，又能增強電解液的浸潤，利于鋰離子的傳導，材料的電化學性能較好。

一種上述納米金屬錫與石墨復合負極材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一，將原料氧化錫（SnO₂）和石墨（C）粉末按一定比例混合，然后采用機械球磨法進行研磨，以得到具有一定粒徑的混合粉末；

步驟二，將步驟一得到的混合粉末在一定溫度下進行煅燒以發(fā)生碳熱還原反應，從而得到所述的納米金屬錫與石墨復合負極材料。

在上述方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，所述石墨和氧化錫的質(zhì)量比為1-9:1。示例性地，所述氧化錫和石墨的質(zhì)量比為1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1或9:1。更優(yōu)選地，所述石墨和氧化錫的質(zhì)量比為4-6:1。

在上述方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，所述混合粉末的粒徑為0.1-8μm。

在上述方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述機械球磨法中，球料比為10-40:1（比如12:1、20:1、30:1、38:1），在1-2bar的氬氣（Ar）保護下進行。更優(yōu)選地，在機械球磨法中，研磨球采用不銹鋼金屬球，球料比為20-30:1。