[發明專利]一種具有雙重限域效應的鋰離子電池錫基負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202211438345.6
• 申請日: 2022-11-17
• 公開（公告）號: CN116190587A
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 楊觀華;李翼宏;王旭;歐陽林輝;張志國;張杰
• 申請（專利權）人: 廣西科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣西中知華譽知識產權代理有限公司 45140
• 代理人: 梁秀新

本發明公開了一種具有雙重限域效應的鋰離子電池錫基負極材料及其制備方法。該復合材料中，首先采用電化學剝離的方式制備出硫氮共摻雜石墨烯，然后通過化學鍍錫和碳包覆的方法，獲得碳包覆錫/硫氮共摻雜石墨烯復合材料。在該復合材料中，碳包覆和硫氮共摻雜石墨烯網絡對錫進行“雙重限域”，能夠穩定錫的結構、阻止錫在熱處理和循環過程中發生團聚的作用，提高錫基復合材料的電化學性能。該方法是一種便于獲得高性能的錫基負極材料的有效方法，對發展鋰離子電池新型負極材料具有促進意義。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體涉及一種具有雙重限域效應的鋰離子電池錫基負極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池因具有高能量密度、環境友好性和無記憶效應的優點，使其在電動車輛和便攜式電子設備等領域發揮著舉足輕重的作用。隨著技術的不斷發展，對高性能的電池負極材料的研究需求也隨之增加。石墨具有成本低、電子導電性好、循環壽命長和容量穩定等特點，是目前鋰離子電池商業化應用的負極材料之一。對于鋰離子電池的負極材料而言，商用的石墨類碳負極材料的容量已經非常接近石墨的理論比容量(372mAh?g^-1)，提高這類材料的比容量存在著很大的難度。為了獲得較高比容量的負極材料，研究人員需要開展更加深入的研究來探索和開發新型的高性能負極材料。

在眾多具有潛力的新型負極材料中，錫基材料能夠與金屬鋰形成具有高比容量的合金化合物Li_4.4Sn。特別是金屬錫的理論比容量高達994mAh?g^-1，比商用的石墨碳類材料的比容量高出2倍多。此外，金屬錫因具有儲量豐富、高安全性和環境友好等優點而引入關注，使其被認為是替代鋰離子電池商用石墨碳類負極的良好材料。但是金屬錫在鋰離子的嵌入和脫出過程中，容易發生巨大的體積膨脹收縮，致使金屬錫粉化，從集流體中脫落，最終導致電極材料的比容量嚴重降低、循環性能和倍率性能惡化。為了緩解這一問題，許多研究人員從金屬錫納米化、引入活性或非活性緩沖基體等進行研究。其中，引入具有緩沖作用的基體，如碳材料，能夠有效地降低金屬錫“體積效應”帶來電極容量降低和循環壽命變差的影響。

石墨烯是一種具有較大的比表面積、良好的機械彈性以及優越的導電性二維碳納米材料。通過金屬錫與石墨烯復合，大比表面積、高導電性的石墨烯既能夠提供足夠的空間來緩解金屬錫的體積膨脹收縮效應，也能夠提升復合材料的循環穩定性以及降低復合材料的內阻。研究表明，摻雜B、N、S、P等雜原子的石墨烯，能夠改善復合材料的電子特性、增加材料的儲鋰容量以及降低材料的內阻。盡管通過不同手段均可制備出錫/石墨烯材料，但該類材料在低成本、大規模制備方面仍面臨著很大的挑戰。因此，探索和開發具有簡單快捷、可控性強和易于規模化制備錫/石墨烯復合材料成為研究熱點。

發明內容

本發明的發明目的在于：針對上述存在的問題，本發明利用碳包覆和硫氮共摻雜石墨烯網絡對錫進行“雙重限域”，能夠穩定錫的結構、阻止錫在熱處理和循環過程中發生團聚的作用，提高錫基復合材料的電化學性能。該方法是一種便于獲得高性能的錫基負極材料的有效方法，對發展鋰離子電池新型負極材料具有促進意義。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種具有雙重限域效應的鋰離子電池錫基負極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)稱取一定質量的硫酸鈉、硫酸銨或者硫酸鈉與硫酸銨的混合物，加入一定容量的蒸餾水，在室溫條件下超聲、磁力攪拌或者機械攪拌一定的時間；

2)稱取一定質量的硫脲或者半胱氨酸或者甘氨酸溶解到上述溶液中，室溫條件下磁力攪拌、機械攪拌或者超聲一定的時間；

3)將鉑片電極和石墨箔組成兩電極體系，在一定的電壓和時間條件下進行電化學剝離制備硫氮共摻雜石墨烯；

4)將剝離后的硫氮共摻雜石墨烯采用乙醇、蒸餾水或者蒸餾水和乙醇的混合液多次過濾洗滌或者離心清洗干凈；