[发明专利]一种用于锂二次电池负极的锡碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及锡碳复合材料及其制备方法及应用，特别是一种用于锂二次电池负极的锡碳复合材料及其制备方法。                                                      

背景技术

随着电动汽车等动力电源对电能储存的急切需求，锂离子电池因其高的能量和功率密度受到越来越多的关住。目前商业化的锂离子电池的负极材料为石墨，其低的理论容量（372 mAh/g）并不能满足人们对于高能量和高功率密度的追求，这就要求人们发展具有高容量、高循环稳定性以及高倍率性能的新型负极材料。金属单质锡具有高的理论比容量（992 mAh/g）、低的嵌锂电位，被认为是下一代锂离子电池最有前途的负极材料之一。但是，锡在充放电过程中会伴随大的体积变化，导致颗粒的粉化以及活性材料与集流体的脱离，引起容量的急剧下降。另一方面，由于锡在循环过程中反复的体积变化，会使得电极材料与电解液界面上反应生成固体电解质界面瞙（SEI膜）反复的破裂和生成，不断地消耗电解液以致最终影响电池的循环寿命。这些都严重限制了锡负极材料的应用。

将锡负极材料的尺寸减小到纳米尺度可以减小脱/嵌锂过程中产生的应力，防止材料的破裂和粉化，参见：J. Besenhard, J. Yang, M. Winter, Will advanced lithium-alloy anodes have a chance in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 1997, 68: 87。纳米化还能减小锂离子的传输路径，提高倍率性能。但是，纳米颗粒在循环过程中会发生团聚，降低材料的循环性能。同时，纳米化也不能解决SEI膜反复生成所引起的循环寿命衰减的问题。目前，将纳米锡分散在一种导电基体，特别是碳基体中被认为是一种解决以上所有问题的很好的解决方案。例如，Scrosati课题组通过将锡的前驱体注入到有机凝胶里，然后高温热解该混合物制备了一种锡碳复合材料，在循环几百周后仍能保持500 mAh/g的比容量，参见：G. Derrien, J. Hassoun, S. Panero, B. Scrosati, Nanostructured Sn-C Composite as an Advanced Anode Material in High-Performance Lithium-Ion Batteries, Advance Materials, 2007, 19: 2336。最近，Xu等人通过气凝胶高温热解法制备出一种纳米锡均匀分散在碳球中的复合材料，循环130周后的容量高达710 mAh/g ，参见：Y. Xu, Q. Liu, Y. Zhu,Y. Liu, A. Langrock, M. Zachariah,C. Wang, Nano Letter, 2013, 13: 470。现在锡碳复合材料的合成方法主要是高温热解碳源和锡源的混合物。将这两种前驱体在分子级别混合有利于得到分散均匀的小的纳米颗粒。但是，这样的混合比较困难，再加上锡的熔点很低，这些使得合成均匀分散在多孔碳基质中的超小的纳米锡颗粒十分困难。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种高比容量、高循环稳定性和高倍率性能的用于锂二次电池负极的锡碳复合材料及其制备方法，通过高温热解锡的配合物的方法将超小粒径的锡纳米颗粒均匀地分散、嵌在三维多孔碳载体材料内部，制备含锡的复合材料，保持锡的高比容量特性，同时有效控制整体电极的体积膨胀，防止颗粒的团聚，提高其循环稳定性和倍率性能，从而提高锂离子电池负极材料的能量密度和功率密度。

本发明的技术方案：

一种用于锂二次电池负极的锡碳复合材料，由超小粒径的锡纳米颗粒均匀地分散、嵌在三维多孔碳载体材料内部并形成三维多孔结构，其中锡纳米颗粒以具有高比容量的锡储锂材料作为含锡活性物质存在于锡碳复合材料中，锡纳米颗粒的粒径范围为5-100 nm，复合材料中含锡活性材料的质量百分比为20-70%。

一种所述用于锂二次电池负极的锡碳复合材料的制备方法，步骤如下：

1）(salen)Sn的合成