[發明專利]二氧化錫/鐵酸鎳/石墨烯復合材料及制備方法和應用

在審

• 申請號: 201710160766.X
• 申請日: 2017-03-17
• 公開（公告）號: CN107046127A
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發明（設計）人: 郝青麗;顏帥;雷武;夏錫鋒
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/525;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 鄒偉紅,朱顯國

技術領域

本發明屬于鋰離子電池新能源領域。具體涉及到一種二氧化錫/鐵酸鎳/石墨烯復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池由于能量密度遠高于其他二次電池的獨特優點廣泛運用在人們的日常生產生活中，如在手機，筆記本電腦，特斯拉電動汽車等許多電子設備上都能看到鋰離子電池的身影。然而現在商業化鋰離子電池工業技術遠遠不能滿足人們的需求，特別是在對儲能要求比較高的混合動力汽車(HEV)和純電動汽車(EV)等相關領域。為了滿足這些特殊需求，迫切需要研發出具備高能量密度和功率密度的新一代鋰離子電池。目前商業化鋰離子電池大部分采用石墨作為負極材料，然而石墨的理論比容量僅為372mAh g^-1，嚴重制約了鋰離子電池的發展，不能滿足高能量密度的需求。其次，石墨作為負極的鋰離子電池在過充狀態下，容易生成鋰枝晶，帶來嚴重的安全性問題。因此，為了解決這些問題，我們需要尋找一種新型的負極材料來代替石墨碳負極材料。

目前，有研究發現，過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負極材料表現出來比較優異的性能。在這之中，尖晶石型過渡金屬氧化物(AB₂O₄，A＝Zn、Ni、Co、Mn)因其較高的理論比容量吸引了研究人員的注意。同時，這種金屬氧化物可以通過改變金屬元素含量來改變鋰離子電池的工作電壓和能量密度。鐵酸鎳(NiFe₂O₄)作為尖晶石金屬氧化物的一種，由于其較高的理論比容量(915mAh g^-1)等優點得到了科研工作者的廣泛研究。然而NiFe₂O₄與鋰離子發生反應的過程中容易產生體積膨脹，而且其電導率很低，嚴重影響了電子和離子的傳輸。為了提高NiFe₂O₄的電化學性能，研究人員做了大量工作改善形貌和性質。

文獻(Heidari E K,Zhang B,Sohi M H,et al.Sandwich-structured graphene–NiFe₂O₄–carbon nanocomposite anodes with exceptional electrochemical performance for Li ion batteries[J].Journal of Materials Chemistry A,2014,2(22):8314-8322.)將鐵酸鎳均勻的負載在石墨烯片層上，然后用碳層包覆，制備出三明治結構的復合材料，將之運用于鋰離子電池，其電化學性能得到很大提升。

文獻(Balaji S,Vasuki R,Mutharasu D.A feasibility study on SnO₂/NiFe₂O₄nanocomposites as anodes for Li ion batteries[J].Journal of Alloys and Compounds,2013,554:25-31.)將二氧化錫摻雜進鐵酸鎳中，運用于鋰離子電池負極材料，很大提升了其電化學性能。但是其合成條件較為苛刻，需要在1000℃以上的高溫中持續煅燒20小時。過程繁瑣，資源消耗過大，不適合大規模的工業生產。

發明內容

本發明的目的是通過簡單低能耗綠色環保的方法制備出二氧化錫/鐵酸鎳/石墨烯復合材料，并將之運用于鋰離子電池負極材料。

實現本發明目的的技術解決方案是：一種二氧化錫/鐵酸鎳/石墨烯復合材料，二氧化錫占所述復合材料質量的10-70wt％，石墨烯占所述復合材料質量的25-30wt％。

一種二氧化錫/鐵酸鎳/石墨烯復合材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟1，將九水硝酸鐵，六水硝酸鎳，加到去離子水中，攪拌至溶解；

步驟2，將二水氯化亞錫加到乙二醇溶液中，攪拌至溶解；

步驟3，將氧化石墨分散于去離子水溶液中，超聲后得到相應的懸浮液；

步驟4，將步驟1和步驟2所得的混合液加入到步驟3的懸浮液，充分混合均勻；

步驟5，向步驟4中的混合液加入尿素，充分攪拌至完全溶解；

步驟6，水熱反應步驟5的混合液，冷卻后進行離心洗滌、干燥，得到二氧化錫/鐵酸鎳/石墨烯復合材料，其中，氧化石墨占所得復合材料的質量的25-30wt％，二水氯化亞錫占所得復合材料質量的14.3-77.8wt％，尿素添加質量與所得復合材料的質量比為40-50:3。