一种锡纳米复合材料及其制备方法 |
|||||||
申请号 | CN201610271748.4 | 申请日 | 2016-04-28 | 公开(公告)号 | CN107331831A | 公开(公告)日 | 2017-11-07 |
申请人 | 严天祥; | 发明人 | 严天祥; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种 锡 纳米 复合材料 及其制备方法,其制备方法,包括:(1)将锡盐溶液缓慢滴加入一定浓度的 碱 溶液中;(2)将过渡金属TM盐溶液缓慢滴入到混合溶液中,得到沉淀物;(3)离心并清洗沉淀物,然后将沉淀物加入到 碳 源有机物溶液,搅拌均匀后,烘干;(4)将烘干的产物在管式炉中进行 烧结 ,得到所述的纳米锡基复合 负极材料 ,该制备方法安全、操作步骤简单、周期短、成本低,该方法制备的复合负极材料由纳米锡或锡的化合物颗粒组成, 合金 化、碳材料和纳米结构可以缓解锡在脱 嵌锂 过程中的体积膨胀,有效提高 电池 的循环和 倍率性能 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种锡纳米复合材料及其制备方法,其特征是,包括下述步骤: |
||||||
说明书全文 | 一种锡纳米复合材料及其制备方法技术领域背景技术[0002] 随着世界经济持续、高速地发展,能源短缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深,能源供需矛盾日益突出,许多国家在提高能源使用效率,开发可再生能源以及环境保护上进行了积极的探索和实践,无论从能源还是环保角度,混合动力汽车和纯动力汽车都将是替代依靠化石燃料的汽车的最好选择,锂离子电池具有电压高、比能量大、质量轻、环境友好等优点,目前已经广泛应用于便携式电子产品和电动工具等领域,并有望成为未来混合动力汽车和纯动力汽车的能源供给之一。 [0004] 金属锡基材料具有高储锂能力,是一种很有前景的负极材料。 [0005] 但锡负极材料存在充放电过程中体积变化大、首次充放电循环库伦效率低、高倍率性能差等问题。 [0006] 解决这些问题,主要通过惰性相复合、多孔结构和纳米结构材料等途径来克服金属锡的体积膨胀,改善负极的性能。 [0007] Sn-TM (TM为Cu, Ni, Co)纳米复合负极材料已被广泛报道,其制备多采用电沉积方法、模板法、溶胶-凝胶法,而这些方法存在1产量低,2制备过程复杂,3周期长,4成本高,5不易控制等问题。 发明内容[0008] 本发明的目的是针对现有技术的不足,而提供一种锡纳米复合材料及其制备方法,该方法具有1产量高,2制备过程简单,3周期短,4成本低,5容易控制等特点,制备出的纳米复合负极材料,解决了锡作为电池负极材料在充放电过程中的体积变化,改善了电极的性能。 [0009] 实现本发明目的的技术方案是:一种锡纳米复合材料及其制备方法,包括下述步骤: 1)将锡盐溶液缓慢滴入一定浓度PH值9-13的碱溶液中; 2)将过渡金属加入到TM盐溶液中,再将混合物缓慢滴入到步骤1)所得的溶液中,得到沉淀物; 3)离心、清洗步骤2)中获得的沉淀物,再将沉淀物加入到碳源有机物溶液中,搅拌均匀,将沉淀物烘干,得到前驱体; 4)将前驱体在管式炉中进行烧结,得到锡纳米复合材料。 [0010] 步骤1)中,所述的锡盐为氯化锡、氯化亚锡或硫酸亚锡,所述的碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水、尿素溶液中的一种或其混合溶液,所述的碱溶液中需要添加碳材料和pH值调节剂溶液,所述的碳材料为碳纳米小球或/和活性炭纳米颗粒;所述的调节剂为柠檬酸、氨水和乙酸的一种或其混合溶液;步骤2)中,所述的过渡金属为Cu, Ni或Co;所述的TM盐溶液为硫酸盐、氯化盐、硝酸盐、乙酸盐、草酸盐中一种; 所述的锡盐与TM盐投料摩尔比为:Sn:TM=1:0.5~2。突然出现的这个混合溶液的比例为步骤1+步骤2出现的,应该在什么地方或时间进行表述; 步骤3)中,所述的碳源有机物为葡萄糖、蔗糖或PVP,所述的溶剂为去离子水或乙醇; 步骤4)中,烧结气氛为惰性气氛、N2/H2混合气体或Ar/H2混合气体,混合气体中氢气含量为5%~10%;烧结温度为200~500℃;烧结时间为4~8小时;由室温升到烧结温度的速率为2~ 10 ℃/min。 [0011] 上述方法所制备的最终产物为锡纳米复合材料,其含碳量为0~40 wt%,这种锡纳米复合材料由纳米锡或锡的化合物颗粒组成,合金化、碳材料和多孔纳米结构可以缓解锡在脱嵌锂过程中的体积膨胀,有效提高电池的循环和倍率性能。 [0012] 本发明的优点是:1)具有1产量高,2制备过程简单,3周期短,4成本低,5容易控制等特点安全,要有针对这5点的说明,才能得到后面的结论。 [0013] 操作方法简单,制备周期短,成本低,可以实现大规模生产; 具体实施方式[0014] 下面通过实施例对本发明内容作进一步的阐述,但不是对本发明的限定。 [0015] 实施例:一种锡纳米复合材料及其制备方法,包括下述步骤: 1)将锡盐溶液缓慢滴入一定浓度PH值9-13的碱溶液中; 2)将过渡金属加入到TM盐溶液中,再将混合物缓慢滴入到步骤1)所得的溶液中,得到沉淀物; 3)离心、清洗步骤2)中获得的沉淀物,再将沉淀物加入到碳源有机物溶液中,搅拌均匀,将沉淀物烘干,得到前驱体; 4)将前驱体在管式炉中进行烧结,得到锡纳米复合材料。 [0016] 步骤1)中,所述的锡盐为氯化锡、氯化亚锡或硫酸亚锡,所述的碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水、尿素溶液中的一种或其混合溶液,所述的碱溶液中需要添加碳材料和pH值调节剂溶液,所述的碳材料为碳纳米小球或/和活性炭纳米颗粒;所述的调节剂为柠檬酸、氨水和乙酸的一种或其混合溶液;步骤2)中,所述的过渡金属为Cu, Ni或Co;所述的TM盐溶液为硫酸盐、氯化盐、硝酸盐、乙酸盐、草酸盐中一种; 所述的锡盐与TM盐投料摩尔比为:Sn:TM=1:0.5~2。突然出现的这个混合溶液的比例为步骤1+步骤2出现的,应该在什么地方或时间进行表述; 步骤3)中,所述的碳源有机物为葡萄糖、蔗糖或PVP,所述的溶剂为去离子水或乙醇; 步骤4)中,烧结气氛为惰性气氛、N2/H2混合气体或Ar/H2混合气体,混合气体中氢气含量为5%~10%;烧结温度为200~500℃;烧结时间为4~8小时;由室温升到烧结温度的速率为2~ 10 ℃/min。 [0017] 上述方法所制备的最终产物为锡纳米复合材料,其含碳量为0~40 wt%,这种锡纳米复合材料由纳米锡或锡的化合物颗粒组成,合金化、碳材料和多孔纳米结构可以缓解锡在脱嵌锂过程中的体积膨胀,有效提高电池的循环和倍率性能。 [0019] 具体地,实例1.制备纳米锡-铜复合负极材料 (1)配置氢氧化钠溶液,使用柠檬酸调节pH值为11,将配制好的50 ml、0.5 mol/L氯化亚锡溶液逐滴滴入到氢氧化钠溶液中; (2)取50 mL、0.5 mol/L 氯化铜溶液缓慢滴加入第(1)步的混合溶液中; (3)反应结束后,将沉淀物离心,洗涤,真空烘干得前驱体; (4)将前驱体在管式炉中进行烧结,烧结气氛为氢气/氩气的混合气体,烧结温度为450 ℃,升温速率为3 ℃/min,烧结时间为4小时,自然冷却至室温,即得纳米锡-铜复合负极材料。 [0020] 以上述制得的锡-铜复合负极材料为正极,锂片为对电极,1M的LiPF6的EC/DMC (Vol 1:1)溶液为电解质,Celgard 2325隔膜纸为电池隔膜,组装扣式半电池进行性能测试。测试充放电电流密度为100 mA/g,截止充放电电压为0.01~2.0 V。在100次循环后,制备的锡-铜复合负极材料的容量保持为344 mAh/g。 [0021] 实例2.制备多孔纳米锡-铜/碳复合负极材料 (1)称取一定量的碳纳米球分散于配置好的氢氧化钠溶液中,在磁力搅拌作用下,将硫酸亚锡溶液缓慢滴入到氢氧化钠溶液中; (2)将硫酸铜溶液缓慢滴加入第(1)步的混合溶液中,反应结束后,离心,洗涤,收集沉淀物; (3)将沉淀物加入葡萄糖乙醇溶液中,超声均匀,真空烘干得前驱体; (4)将前驱体在管式炉中进行烧结,烧结气氛为氢气/氩气的混合气体,烧结温度为400℃,升温速率为2 ℃/min,烧结时间为5小时,自然冷却至室温,即得多孔纳米锡-铜/碳复合负极材料。 [0022] 将上述制得的多孔纳米锡-铜/碳复合负极材料为正极,组装成2032扣式半电池进行性能测试。测试结果表明,充放电电流密度为100 mA/g条件下,首次放电容量为867 mAh/g;40次循环后,充放电电流密度为1000 mA/g条件下,放电容量保持为267 mAh/g。 |