阅读说明：本技术 一种超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料的制备方法 (Preparation method of ultrathin carbon-coated tin dioxide nanocomposite ) 是由 赵永男 高海燕 黄志强 于 2019-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料的制备方法,具体制备过程如下：1.将一定比例的碳源,锡源和萘溶解于去离子水中,加入适量盐酸调节pH值,然后将混合溶液进行水热反应；2.将水热反应得到的产物置于管式炉中氩气气氛下煅烧,得到超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料。本发明中制备的超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料作为锂离子负极材料具有良好的循环稳定性,优异的倍率性能和高的放电比容量。(The invention discloses a preparation method of an ultrathin carbon-coated tin dioxide nano composite material, which comprises the following specific preparation processes of: 1. dissolving a carbon source, a tin source and naphthalene in a certain proportion in deionized water, adding a proper amount of hydrochloric acid to adjust the pH value, and then carrying out hydrothermal reaction on the mixed solution; 2. and calcining the product obtained by the hydrothermal reaction in a tubular furnace under the argon atmosphere to obtain the ultrathin carbon-coated tin dioxide nano composite material. The ultrathin carbon-coated tin dioxide nanocomposite prepared by the method has good cycling stability, excellent rate performance and high specific discharge capacity when being used as a lithium ion negative electrode material.)

一种超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料制备领域，具体提供一种超薄碳包覆二氧化锡纳米负极材料的简易制备方法。

背景技术

锂离子电池以其显著的优势而广泛应用于便携式电子设备等领域中，并逐渐向大功率电动汽车、大规模储能电站和智能电网等领域发展。因此，对锂离子电池的性能需求日益增加。而电极材料作为锂离子电池最重要的组成，其结构和性质决定了锂离子电池的容量、安全性、倍率性能和循环稳定性等核心指标。因此，亟需开发出满足高能量、大功率、高稳定性和安全性要求的新型锂离子电池电极材料。

二氧化锡基负极材料具有高的储锂容量(1494mAh g^-1)、低的电压平台、安全便宜等优点，有望替代石墨而实现商业化的负极材料。但是二氧化锡基材料在充放电过程会发生巨大的体积变化，导致其循环性能和可逆容量降低。目前，为改善二氧化锡基材料的电化学性能，主要是将纳米级二氧化锡颗粒负载在碳基材料中。尽管这种方法能在一定程度上缓解二氧化锡基复合材料在充放电过程中产生的体积变化，但无法解决电极材料在高倍率充放电下，保持稳定的循环性能和高的放电容量等问题。

本发明提供了一种简易的方法制备超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料，碳包覆层厚度约为1.7nm，其中超薄碳层包覆的二氧化锡纳米颗粒被限域在亚微米级的碳球基底上，作为锂离子负极材料表现出优异的倍率性能，良好的循环稳定性和高的放电比容量。本发明制备过程简单，能耗低，制备成本低廉，可规模化生产，对环境无污染，有望在商业化上得到应用。

发明内容

本发明针对目前二氧化锡基负极材料存在的问题，提供一种超薄碳包覆二氧化锡纳米负极材料的简易制备方法。

本发明是通过以下步骤实现：

按摩尔比为1∶0.0018-0.018称取碳源和锡源，溶解于60mL去离子水中，所述碳源为葡萄糖或蔗糖，所述锡源为四氯化锡，氯化亚锡或硫酸亚锡。待锡源和碳源完全溶解后，加入适量添加剂萘，并加入适量盐酸调节混合溶液的pH，搅拌30min后，将混合溶液装釜，置于鼓风干燥箱120℃-180℃进行水热反应，反应时间控制在3-12h。将水热反应后的产物离心清洗后，置于鼓风干燥箱中烘干；随后将产物置于管式炉中，在氮气气氛下热处理，升温速率为2-8℃/min，热处理温度为400-900℃，保温时间2-8h，从而得到超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料。

本发明提供的超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料制备方法，相比于其他合成方法，具有备过程简单，能耗低，制备成本低廉，可规模化生产，对环境无污染的优点，并且所制备的复合材料作为锂离子负极材料表现出优异的倍率性能，良好的循环稳定性和高的放电比容量。这主要归因于所制备的复合材料中超薄碳层包覆的二氧化锡纳米颗粒被限域在亚微米级的碳球基底上，在长循环充放电过程中有效缓解二氧化锡颗粒在充放电过程中产生的体积变化，保证了复合材料的结构稳定性，同时超薄碳层缩短了锂离子和电子的扩散距离，从而提高其在大电流充放电的倍率性能。本发明制备过程简单，能耗低，制备成本低廉，可规模化生产，对环境无污染，有望在商业化上得到应用。

附图说明

图1是所制备的超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料X射线衍射(XRD)图谱；

图2是所制备的超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料的高倍透射电镜(HR-TEM)图；

图3是实所制备的超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料在1A g^-1大电流密度循环充放电图；

图4是所中制备的超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料在5A g^-1大电流密度循环充放电图；

图5是所中制备的超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料的倍率性能图。

具体实施方式

超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料的制备方法，具体步骤如下：

称取0.018mol四氯化锡，1mol葡萄糖和3mg萘溶解于60mL去离子水中，然后加入0.8mL盐酸，磁力搅拌30min，将所得到的混合溶液装釜，置于鼓风干燥箱180℃进行水热反应，反应时间控制在12h。将水热反应后的产物离心清洗后，置于鼓风干燥箱中烘干。

随后将水热反应得到的产物置于管式炉中，在氮气气氛下热处理，以5℃/min升温速率加热到500℃，保温时间4h，从而得到超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料。

超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料的研究成果：

(1)材料结构分析

XRD表征显示所制备的复合材料的衍射峰与标准卡片PDF#41-1445完全吻合(如附图1所示)，说明制备的复合材料中二氧化锡为典型金红石相，通过谢乐公式计算得到，二氧化锡颗粒尺寸为6.9nm。

(2)形貌结构的测试结果分析。

附图2为所制备的超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料的透射电镜图。图中可以看出，二氧化锡纳米颗粒被限域在直径约为400nm的碳球基底上，在高倍透射电镜图中可以进一步看到二氧化锡颗粒尺寸约为7nm，结果与XRD数据吻合。同时可以看到，在二氧化锡纳米颗粒表面包覆了一层厚度约为1.7nm的碳包覆层。

(3)电化学性能分析

附图3-4是超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料作为锂离子电池负极，大电流密度下的长循环数据图。在1A g^-1电流密度下，经过300圈充放电循环后，容量依然保持在905.4mAh g^-1。甚至在5A g^-1大电流密度下，经过1000圈充放电循环，容量还能保持在413.4mAh g^-1。附图5是超薄碳包覆二氧化锡纳米负极材料的倍率性能图，在0.1A g^-1，0.2Ag^-1，0.5A g^-1，1A g^-1，2A g^-1，5A g^-1电流密度下，容量分别为1242.3mAh g^-1，1116.5mAh g^-1，1004.8mAh g^-1，878mAh g^-1，745.8mAh g^-1，488.7mAh g^-1。电流密度回到0.1A g^-1时，放电容量依然能保持在1093.6mAh g^-1。超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料之所以表现出如此优异的电化学性能，主要归因于所制备的复合材料中超薄碳层包覆的二氧化锡纳米颗粒被限域在亚微米级的碳球基底上，在长循环充放电过程中有效缓解二氧化锡颗粒在充放电过程中产生的体积变化，保证了复合材料的结构稳定性，同时超薄碳层缩短了锂离子和电子的扩散距离，从而提高其在大电流充放电的倍率性能。

本发明采用成本低廉的葡萄糖作为碳源制备出超薄碳包覆二氧化锡纳米复合材料，碳包覆层厚度约为1.7nm，作为锂离子负极材料表现出优异的倍率性能，良好的循环稳定性和高的放电比容量，并且制备过程简单，能耗低，制备成本低廉，可重复性高，对环境无污染，有望在商业化上得到应用。