[發明專利]一種具有孔隙結構的二氧化錫/碳/氮摻雜石墨烯復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710102926.5
• 申請日: 2017-02-23
• 公開（公告）號: CN106654238B
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 楊娟;周向陽;陳三妹;龍波;王輝;田航宇;程芳燕
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

本發明公開了一種具有孔隙結構的二氧化錫/碳/氮摻雜石墨烯復合材料及其制備方法和應用。所述復合材料是由內層一維棒狀二氧化錫/碳復合材料和外層氮摻雜石墨烯組成，其中一維棒狀二氧化錫/碳復合材料由錫基金屬有機骨架化合物原位形成的超細納米二氧化錫組成的納米二氧化錫球顆粒、足夠的預留膨脹空間以及起保護作用的導電碳殼組成。該復合材料是利用一維棒狀的錫基金屬有機骨架化合物作為前驅體進行預熱處理制備中間體，然后在該中間體的外層包覆氧化石墨進行進一步熱處理獲得。此復合材料作為鋰離子電池負極材料時具有比容量高，循環壽命長和倍率性能優異等特點。該制備方法流程簡單可控、成本低廉、產率高，適合工業大規模生產。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料技術領域，具體涉及一種具有孔隙結構的二氧化錫/碳/氮摻雜石墨烯復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著日益增長的能源需求以及全球資源耗竭和對環境的長期破壞，尋求高性能、低成本以及環境友好的能源體系成為目前急需解決的問題。鋰離子電池作為一種新型的二次電池，由于具有能量密度高、自放電小、循環壽命長、無污染和無記憶效應等優點，得到了廣泛的使用。

其中負極材料對于電池有著重要的影響，目前商業化的鋰離子電池石墨類負極材料由于理論容量較低(372mAh/g)，難以滿足需求。

而二氧化錫作為負極材料時，在反應過程中，由于二氧化錫存在體積變化大、首次不可逆容量較高、循環性能不理想等問題，因此未能實現商業化。具有特殊形貌結構的負極材料能在一定程度上發揮各種材料的獨特優勢，還能起到一定的弱化和改善材料缺陷的作用，但目前制備具有特殊形貌的負極材料的過程中，存在能耗高，制備過程復雜等缺點，且一般金屬氧化物材料作為鋰離子電池材料存在電導率偏低及循環過程中體積變化大等問題，限制了該類材料的實際使用。

因此發展經濟簡單且合成具有特殊形貌的金屬氧化物的方法具有深遠意義。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種用作鋰離子電池負極材料的具有比容量高、循環壽命長和倍率性能優異的具有孔隙結構的二氧化錫/碳/氮摻雜石墨烯復合材料。

本發明的另一目的在于提供一種流程簡單可控，成本低廉，可大規模生產的具有孔隙結構的二氧化錫/碳/氮摻雜石墨烯復合材料的制備方法。

本發明的另一目的在于提供一種上述材料的應用，將所述具有孔隙結構的二氧化錫/碳/氮摻雜石墨烯復合材料應用作為鋰離子電池負極材料，獲得高比容量、循長環壽命和優異的倍率性能。

本發明的技術方案在于提供一種具有孔隙結構的二氧化錫/碳/氮摻雜石墨烯復合材料，所述復合材料包括內層的一維棒狀二氧化錫/碳復合材料以及外層的氮摻雜石墨烯，其中，一維棒狀二氧化錫/碳復合材料包括由錫基金屬有機骨架化合物原位形成的超細納米二氧化錫晶粒組成的納米二氧化錫球顆粒、足夠的預留膨脹空間以及導電碳殼；

所述錫基金屬有機骨架化合物由含Sn²⁺的亞錫鹽在有機羧酸和堿存在的條件下反應得到；

所述氮摻雜石墨烯通過水合肼與氧化石墨烯反應得到。

此處足夠的預留膨脹空間即本發明附圖中所述具有豐富空隙且相互間隔的空間結構。

本發明進一步包括以下優選的技術方案：

優選的，所述復合材料的尺寸大小為10-15μm。

優選的，所述一維棒狀二氧化錫/碳復合材料的尺寸大小為300-800nm。

優選的，所述超細納米二氧化錫晶粒大小為3-6nm，所述二氧化錫球顆粒大小為150-300nm納米。

優選的，復合材料中，碳和氮摻雜石墨烯的總含量為30wt％-50wt％，其中氮摻雜石墨烯為25wt％-40wt％，余量為二氧化錫。