[發明專利]一種內嵌錫基氧化物的熱解碳電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201910670899.0
• 申請日: 2019-07-24
• 公開（公告）號: CN110391408B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 王志遠;董康澤;羅紹華;劉延國;王慶;張亞輝;郝愛民
• 申請（專利權）人: 東北大學秦皇島分校
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種內嵌錫基氧化物的熱解碳電池負極材料及其制備方法，屬于電池負極材料技術領域；該材料是由碳包覆的納米錫基氧化物顆粒和熱解碳復合而成，碳包覆的納米錫基氧化物顆粒均勻內嵌在熱解碳上；其顆粒直徑為2～5nm；所述的碳包覆層厚度為1～5nm；所述的熱解碳為三維多孔網狀碳結構；制備方法：1)將NaCl：碳源：錫源：能與錫形成合金的可溶性鹽混合，用去離子水溶解，磁力攪拌且完全凍實后，進行真空干燥；2)熱處理后冷卻至室溫，制得粉末；3)將粉末洗滌、過濾和烘干；在酸中浸泡；4)烘干制得內嵌錫基氧化物的電池復合負極材料。本發明的電池復合負極材料在鉀離子半電池測試中，在50～2000mA g^?1的電流密度下，首次充電可逆容量為300～500mAh g^?1,經過20～100次循環后，容量為150～290mAh g^?1。

技術領域

本發明屬于電池負極材料技術領域，涉及一種鉀離子電池負極材料技術，具體為一種內嵌錫基氧化物的熱解碳電池負極材料及其制備方法。

背景技術

發展可持續能源的替代品包括可再生能源資源和可持續存儲技術，對于解決全球對能源需求的擔憂和傳統的化石燃料和日益嚴重的環境問起到至關重要的作用。電動汽車和智能電網也對可再生能源資源存在很大的需求。因此，人們對鋰離子電池的成本及有限的資源存在很大的擔憂，特別是大規模能源存儲需要消耗大量的鋰資源。鉀離子電池由于具有較低的負氧化還原電位K/K⁺(-2.93V)，表明較高的電壓和能量密度。但是，由于較大的鉀離子半徑(1.38埃)，鉀離子電池負極材料發展受阻。

在目前研究報道的負極材料中，氧化錫材料由于中間轉化和合金化反應而具有較高的理論容量。此外，氧化錫由于低的成本以及相對較低的充放電平臺(與其他金屬氧化物相比)。但是，氧化錫在充放電過程中仍然具有較大的體積膨脹，低的導電性等導致在循環過程中快速衰減。目前有效的策略是(1)制備納米化的合計顆粒(2)通過碳源包覆緩解體積變化以及提高導電性。(3)制備多孔結構的錫基氧化物。上述三種改性方法對提高錫基氧化物負極性能均有一定效果，但單一方法不能完全解決錫基負極材料的上述關鍵問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種內嵌錫基氧化物的熱解碳電池負極材料及其制備方法。本發明采用氯化鈉作為模板，通過冷凍干燥、熱解以及酸洗制備得到一種熱解碳內嵌納米級多孔氧化錫復合負極材料，其結構少有報道，制備工藝簡單，安全，且生產成本低廉，形成的結構穩定，該復合材料作為鉀離子電池負極，具有容量高，循環穩定性好，倍率性能優良等特點。

本發明的內嵌多孔錫基氧化物的熱解碳電池負極材料，該材料是由碳包覆的多孔納米氧化錫顆粒和熱解碳復合而成，納米氧化錫顆粒均勻內嵌在熱解碳上；所述的納米氧化錫顆粒，其顆粒直徑為2～5nm；所述的碳包覆層厚度為1～5nm；所述的熱解碳為三維多孔網狀碳結構。

所述的電池負極材料在鉀離子半電池測試中，在50～2000mA g^-1的電流密度下，首次充電可逆容量為300～500mAh g^-1,經過20～100次循環后，容量為150～290mAh g^-1。表現出了優異的電化學性能。

本發明的內嵌錫基氧化物的熱解碳電池負極材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟1，混合和干燥：

(1)將NaCl、碳源、錫源、能與錫形成合金的可溶性鹽混合，用去離子水溶解，并對溶液進行磁力攪拌；按摩爾比，錫源中的錫元素與可溶性鹽中金屬元素摩爾數之和：氯化鈉的摩爾數為1：(100～500)；錫源中的錫元素與可溶性鹽中金屬元素摩爾數之和：碳的摩爾數為1：(10～80)；能與錫形成合金的可溶性鹽的摩爾數用量確定方法為：錫元素與可溶性鹽中金屬元素常溫下形成錫基合金，根據錫基合金相圖確定錫基合金的組成，然后確定可溶性鹽中金屬元素與錫源中錫元素的摩爾比；

(2)將溶液在-60～-10℃中冷凍，完全凍實后，再進行冷凍真空干燥；