[發(fā)明專利]一種錫基合金-碳復(fù)合負(fù)極活性材料的制備及應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410014965.6
• 申請(qǐng)日: 2014-01-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103715406A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓偉強(qiáng);辛鳳霞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38;H01M4/587
• 代理公司: 上海一平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31266
• 代理人: 馬莉華;崔佳佳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及負(fù)極活性材料制備及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種錫基中間合金-碳負(fù)極活性材料的制備及其在電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子二次電池自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，得到了飛速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、移動(dòng)計(jì)算、航天航空、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前，商品化的鋰離子電池負(fù)極材料采用的是碳素材料，其具有循環(huán)效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、電極電位較低等優(yōu)點(diǎn)。但隨著對(duì)鋰離子電池容量要求的不斷提高，石墨負(fù)極材料越來(lái)越不能滿足大功率鋰電池的需求。同時(shí)，由于鈉源分布廣泛且價(jià)格便宜，鈉電池得到了越來(lái)越多的關(guān)注和發(fā)展。鈉電池與鋰電池有相似的充放電機(jī)理，其離子半徑與鋰離子相比，大55%，故其循環(huán)性能受到更多的挑戰(zhàn)。近幾年來(lái)，鈉電池得到了科研工作者的青睞，不過(guò)，其商品化過(guò)程還需要不斷的對(duì)正極和負(fù)極材料進(jìn)行改性和研究。

鋰、鈉離子電池負(fù)極材料作為提高電池能量及循環(huán)壽命的重要因素，理所應(yīng)當(dāng)受到研究者的青睞。與其他負(fù)極材料相比，錫嵌鋰過(guò)程中，儲(chǔ)鋰容量可達(dá)993mAh/g，體積比容量更是高達(dá)7313mAh/cm³；錫與鈉形成合金的過(guò)程中，理論比容量為847mAh/g。錫基負(fù)極材料是鋰、鈉電池理想的高容量負(fù)極活性材料。同時(shí)，其還有加工性好、可快速充放電、電壓平臺(tái)低等眾多優(yōu)點(diǎn)。但是，錫負(fù)極材料也存在著巨大的體積膨脹問(wèn)題，錫與鋰的合金化過(guò)程，體積膨脹超過(guò)300%，錫嵌鈉的過(guò)程體積膨脹更是超過(guò)500%，導(dǎo)致材料的循環(huán)性能變差。

目前，本領(lǐng)域尚缺乏一種理論容量高，成本低，循環(huán)穩(wěn)定性好的負(fù)極材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有制備鋰、鈉電池負(fù)極材料的不足，提供一種理論比容量高、電池循環(huán)穩(wěn)定性較好的錫基中間合金-碳復(fù)合負(fù)極活性材料的制備及應(yīng)用。

本發(fā)明的第一方面，提供了一種復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料由錫基中間合金MSn₅和碳基質(zhì)組成，且所述的合金以細(xì)微顆粒的形式分布于碳基質(zhì)中；

其中，M選自下組：鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、銅(Cu)，或其組合。

在另一優(yōu)選例中，所述錫基中間合金MSn₅顆粒的質(zhì)量百分比為1-99%；且所述碳基質(zhì)的質(zhì)量百分比1-99%；以所述復(fù)合材料的總重量計(jì)。

在另一優(yōu)選例中，所述錫基中間合金顆粒的質(zhì)量百分比為30-99wt%；且所述碳基質(zhì)的質(zhì)量百分比為1-70wt%；以所述復(fù)合材料的總重量計(jì)。

在另一優(yōu)選例中，所述錫基中間合金顆粒的質(zhì)量百分比為50-97wt%；且所述碳基質(zhì)的質(zhì)量百分比為3-50wt%；以所述復(fù)合材料的總重量計(jì)。

在另一優(yōu)選例中，所述錫基中間合金顆粒的質(zhì)量百分比為70-95wt%；且所述碳基質(zhì)的質(zhì)量百分比為5-30wt%；以所述復(fù)合材料的總重量計(jì)。

在另一優(yōu)選例中，所述材料具有能與鋰(Li)或鈉(Na)反應(yīng)的反應(yīng)相。

在另一優(yōu)選例中，所述的錫基中間合金MSn₅(M=Fe、Ni、Co、Cu)中，Sn的質(zhì)量百分含量約為70-95wt%，以所述合金的總重量計(jì)。

在另一優(yōu)選例中，所述Sn的質(zhì)量百分含量為75-95%；更佳地為80-95%。

在另一優(yōu)選例中，所述的合金顆粒的M位置存在缺陷；或所述的顆粒的M原子有部分缺失。

在另一優(yōu)選例中，所述的錫基中間合金具有四方相。

在另一優(yōu)選例中，所述的錫基中間合金屬于P4/mcc空間群。

在另一優(yōu)選例中，合金的形貌為球狀、或近似于球狀(通常為“球狀顆?！?。

在另一優(yōu)選例中，所述的合金粒徑尺寸范圍為10-100nm，較佳地為20-70nm,更佳地為30-50nm。

在另一優(yōu)選例中，當(dāng)所述合金的形貌為球狀時(shí)，所述的球狀合金表面還具有氧化物層。

在另一優(yōu)選例中，所述的氧化物層具有選自下組的組分：錫(Sn)與M(鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)、銅(Cu))元素的氧化物。

在另一優(yōu)選例中，所述氧化層的厚度為1-10nm，較佳地為2-6nm，更佳地為3-4nm。

在另一優(yōu)選例中，所述的碳基質(zhì)選自下組：焦炭、石墨、中間相碳微球、硬碳，或其組合；優(yōu)選地選自碳納米管、碳納米線、碳納米球、石墨烯，或其組合。

在另一優(yōu)選例中，所述的碳基質(zhì)包括對(duì)碳材料的改性，主要包括引入金屬元素(如鉀、鎂、鋁、鎵等)和非金屬元素(如硼、氮、硅、磷、硫等)，以提高其容量，降低不可逆容量等。