[發明專利]一種鈉電池負極用錫/碳復合納米纖維材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710110805.5
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106906537A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 孫旭輝;沙漠
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F9/21;D01F1/10;D04H1/728;D04H1/4382;D01D5/00;H01M4/36
• 代理公司: 蘇州市方略專利代理事務所(普通合伙)32267
• 代理人: 馬廣旭

技術領域

本發明涉及一種鈉電池負極材料的制備，具體涉及一種鈉電池負極用錫/碳復合納米纖維材料及其制備方法。

背景技術

隨著社會的不斷發展與進步，人們面臨的傳統化學能源匱乏和環境惡化的問題也愈發突出，二次電池作為一種新型的環境友好能源受到世界的廣泛關注。

在當今新能源的發展趨勢下，如何推動二次電池在電動車，智能電網等大規模儲能中的應用，成為世界矚目的話題。然而，目前發展比較迅速的鋰離子電池由于鋰資源匱乏（地殼中的豐度不足0.0007%），且分布不均勻，價格居高不下等缺點限制了其進一步發展。

因此，發展下一代綜合效能優異的儲能電池新體系顯得十分迫切。鈉和鋰處于同一主族，具有類似的電化學性質。此外，相比鋰資源而言，鈉儲量非常豐富（地殼中的豐度約2.6 %），且分布廣泛、價格低廉、提煉簡單。

但是，目前，人們在研究碳基鈉離子電池負極材料時發現碳基材料的容量都不是很高，一般低于300 mAhg^-1。但是隨著電動汽車的開發使用，人們對電池性能的要求也越來越高，低容量的碳基材料無法滿足人們對高性能負極材料的需求，因此開發高容量、穩定性好的新型負極材料對鈉離子電池的發展來說顯得尤為重要。

Sn是理論容量最高的材料，是一種很有潛力的新型鈉離子電池負極材料。但作為電極材料，Sn在電池的充放電時，在與體積較大的鈉離子形成合金和分離過程中，會出現嚴重的體積膨脹和收縮現象，其體積的巨大變化將會嚴重破壞材料結構的完整性，使得材料破碎分離，從而導致電池容量的快速衰減，使得電池循環穩定性變差。因此如何解決Sn在電池充放電過程中的體積膨脹問題，成為了此材料研究的重點方向。

基于以上現有技術問題，本發明致力于研究一種復合納米纖維負極材料。

發明內容

為解決上述存在的問題，本發明的目的在于提供一種鈉電池負極用錫/碳復合納米纖維材料及其制備方法，所述錫/碳復合納米纖維材料作為鈉電池負極材料，具備良好的可逆容量，和循環穩定性能；并且，所述一種鈉電池負極用錫/碳復合納米纖維材料的制備方法，采用靜電紡絲法合成，工藝簡單，原料來源簡便，成本較低。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種鈉電池負極用錫/碳復合納米纖維材料，所述錫/碳復合納米纖維材料由碳納米纖維和錫納米顆粒構成；所述錫/碳復合納米纖維材料中碳的質量分數為30%～60%，錫的質量分數為40%～70%；所述碳納米纖維以聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的一種為碳源，所述錫納米顆粒以二水合氯化亞錫、四氯化錫和乙酸亞錫中的一種為錫源；所述碳納米纖維為氮摻雜的碳納米纖維，氮元素均勻的分布在納米纖維上，有利于提高纖維的導電性，有利于電極材料的電化學性能的提升；所述碳納米纖維結構纖長且連續；所述錫納米顆粒均勻附著于碳納米纖維表面，這種結構不會導致錫顆粒的明顯團聚，增加了鈉離子電池電極材料的反應活性位點，而且能夠被電解液有效的浸潤活性材料，使其能夠充分參加反應，從而提高了材料的比容量。

并且，本發明所述的錫/碳復合納米纖維材料作為鈉電池負極材料，由碳納米纖維作為支撐的基地材料，利用碳的柔韌性，也能夠有效緩沖錫在充放電是的體積變化，起到保護活性材料的結構不被破壞的作用；作為基地緩沖材料的碳納米纖維，導電性優異，電子可以順著纖維的方向快速傳遞，能夠提升電極材料整體的導電性，可讓電子大量、快速傳遞，從而提升電池的倍率性能。

因此，本發明提供的一種鈉電池負極用錫/碳復合納米纖維材料，不但具有超高的電池容量，同時還具有優異的循環穩定性和倍率性能。

進一步，所述碳納米纖維的直徑為100～300 nm，所述錫納米顆粒的直徑為10～50 nm，所述錫納米顆粒尺寸較小，比表面積較大，有利于提升電池容量。

進一步，所述錫納米顆粒以金屬態形式均勻附著于碳納米纖維表面，良好的結晶性和在碳納米纖維表面的均勻負載，不會導致錫納米顆粒的明顯團聚，有利于提高電極材料的容量和有關電化學性能。

另，一種鈉電池負極用錫/碳復合納米纖維材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）前驅體溶液配制：稱取碳源和DMF于燒杯中，配制成質量分數為5～15%的碳源溶液，密封后在50～80℃下恒溫攪拌1～3 h，然后加入錫源，在常溫下攪拌10～15 h，得到透明均勻的溶液；所述碳源為聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的一種，所述錫源為二水合氯化亞錫、四氯化錫和乙酸亞錫中的一種；