[發明專利]一種二氧化錫-碳核殼納米球復合材料、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 202110496425.6
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113184898B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 李奇;劉肖;張翠;白鋒
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: C01G19/02
• 分類號: C01G19/02;C01B32/05;B82Y40/00;B82Y30/00;H01M4/36;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 張麗

本發明公開了一種二氧化錫?碳核殼納米球復合材料、其制備方法及應用，屬于鋰離子電池電極材料技術領域。所述的二氧化錫?碳核殼納米球復合材料為有由氮摻雜碳形成的殼層和碳中均勻鑲嵌二氧化錫的核心組成的復合材料，其中導電氮摻雜碳殼層完整包覆二氧化錫?碳中心納米球，同時二氧化錫顆粒的粒徑約為2nm~5nm，且不含有粒徑大于50nm以上的二氧化錫大顆粒。該復合材料不僅有效緩解了SnO₂的體積膨脹，而且顯著提高了電導率，并提供了快速的電子傳遞途徑。同時，氮摻雜碳殼也起到了盔甲的作用，以確保在循環過程中SnO₂/碳復合納米球的結構穩定性。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池電極材料技術領域，具體涉及一種二氧化錫-碳核殼納米球復合材料、其制備方法及應用。

背景技術

隨著電動汽車的快速發展，人們對鋰離子電池提出了更高的要求。常用的石墨負極由于比容量低(372 mAh g^-1)，無法滿足高能耗需求。高理論容量的金屬氧化物作為高效鋰離子電池的替代負極材料受到了廣泛的關注。二氧化錫(SnO₂)因其理論容量較高(1494mAh g^-1)、低毒、天然豐度高而得到了廣泛的研究。Sn和Li的合金化過程(Sn+4.4 Li+4.4 e^-?Li4.4Sn)對LIBs能力有重要貢獻，但該過程由于體積膨脹大(完全鋰化時≈300%)，導致磨粉、聚集，容量衰減快，速率性能差。在過去的幾十年里，人們為探索SnO₂作為下一代陽極付出了大量的努力，但容量衰減快、速率性能差的問題仍然沒有得到解決。

為了解決這些問題，需要進一步開發先進架構的SnO₂基負極材料。合理設計納米SnO₂結構能夠有效控制鋰化/脫鋰化引起的內部應變，是一種能夠提供更好可逆性的策略。此外，納米SnO₂還可以有效縮短Li離子的擴散路徑，增加與電解質的接觸面積，從而提高倍率性能。然而，由于納米SnO₂的自聚集性和低導電性，導致納米化SnO₂負極材料的循環性能仍然受到限制。第二種策略是設計二氧化錫-軟材料納米復合材料(如SnO₂-carbon)來解決自聚集等問題。碳基體作為阻擋層，防止Li_xSn聚集，作為導電層，促進電子傳導。同時，碳基體的多孔結構可以部分容納Li_xSn的體積變化，促進Li+的快速運移。第三種有效的方法是在納米SnO₂顆粒表面包覆高導電性材料(如N摻雜碳)，可以顯著提高導電率，穩定固電解質界面(SEI)，并在充放電過程中保持機械完整性。雖然上述三種解決問題的方法都可以一定程度改善SnO₂基LIBs的電化學性能，但合成具有高速率性能和穩定循環性能的SnO₂基負極材料仍然是一個艱巨的挑戰。

發明內容

基于現有技術的不足，本發明的目的在于提供了一種二氧化錫-碳核殼納米球復合材料、其制備方法及應用，本發明的制備方法簡便易行。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種二氧化錫-碳核殼納米球復合材料的制備方法，過程如下：

（1）制備聚合物微球(pMS)：在干燥燒瓶中將乙二醇二甲基丙烯酸酯(1.5 g ~2.5g)，α-甲基丙烯酸(6.0 g ~10.0g)，偶氮二異丁腈(0.1 g ~0.4g)溶解在300~500 mL乙腈中，蒸餾沉淀共聚后，用無水乙醇對產物靜置鈍化，得到粒徑范圍200~500 nm的聚合物微球(pMS)；