[发明专利]一种用于锂离子电池的氧化锡负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料，特别涉及一种氧化锡负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池拥有高能量密度、高功率密度、安全性能好、循环寿命长等优点，而且不含有铅、镉、汞等污染物质，是一种较为理想的储能器件。负极材料作为锂离子电池的核心部件之一，对提高锂离子电池容量和循环寿命具有重要的影响，已得到学术界和产业界的高度关注。已经工业化生产的负极材料是碳类材料，其理论比容量为372mAh/g，目前实际应用的碳负极容量已经非常接近其理论比容量，进一步提高该材料比容量的可能性不大。随着社会的进步和科学技术的发展，电动汽车等高需能设备对锂离子电池的要求越来越高，现有锂离子电池的容量已不能满足当代电子产业的需求。因此，寻求一种高能量密度的负极材料成为当前材料工作者的主要目标。

氧化锡是一种非常有前景替代锂离子电池碳负极材料的候选者，具有较高的理论比容量(990mAh/g，几乎是碳材料的三倍)，目前受到了各国科学家的广泛关注[H.Uchiyama et al.,Electrochem.Commun.10(2008)52-55;M.Zubair et al.,Scripta Mater.67(2012)665-668;C.Wang et al.,J.Phys.Chem.C2012,116,4000-4011]。这些研究工作主要采用水热法或化学沉积法，然后再热处理得到锂离子电池负极材料，首次充电比容量较高，但氧化锡在锂离子嵌入与脱出过程中体积变化率很大，容易造成材料粉化失效，导致充放电循环性能不佳。

介孔结构在一定程度上可以缓冲氧化锡与锂合金化过程中的体积膨胀，达到提高材料循环性能的目的。目前被广泛研究的氧化锡结构主要有纳米阵列、中空纳米球以及介孔结构等。介孔结构中，材料中存在大量的孔隙，能为氧化锡在锂离子嵌入与脱出的体积变化带来巨大的缓冲空间，缓冲锂离子嵌入脱出时晶格变化所产生的应力和变形，从而使该类型材料作为负极材料时，在充放电过程中，锂离子多次嵌入脱出之后，其依旧能保持其原有的形态。因介孔结构氧化锡负极材料具备如此优异的性能，得到学术界的广泛关注，如Shiva等利用水热法制备出孔隙在2～7.5nm的介孔二氧化锡，用该材料制备的锂电池负极循环性能远远优于纯Sn负极材料，且首次充放电库仑效率达到95%[K.Shiva,M.S.R.N.Kiran,U.Ramamurty,S.Asokan,A.J.Bhattacharyya,J.Solid State Electrochem.(2012)16:3643-3649]。Uchiyama等用水热法在水溶液中制备了网状结构的氧化锡纳米单晶，用该材料制备的锂电池负极首次放电容量达到900mAh/g[H.Uchiyama,E.Hosono,I.Honma,H.Zhou,H.Imai，Electrochem.Commun.10(2008)52-55]。虽然这些工作制备出的氧化锡负极材料具有较高的比容量，但其制备工艺复杂，成本较高，生产效率较低，故仍需要进一步改善工艺才能适用于工业生产。

阳极氧化是指在合适的电解液当中将金属或金属合金作为阳极，通以阳极电流，使阳极表面得到氧化膜的方法。Yang等以氟化铵溶液为电解液进行阳极氧化，制得了二氧化钛纳米管阵列[D.Yang,H.Park,H.Kim,S.Cho,W.Y.Choi,J.Electroceram.(2009)23:159-163]。阳极氧化由于其原理简单，工艺要求低，适合工业化生产，因而在金属表面处理领域得到了广泛应用。

发明内容

针对上述现有氧化锡负极材料循环性能较差的技术问题，本发明提供一种工艺简单、循环性能优良、可用于锂电池的氧化锡负极材料及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种用于锂电池的氧化锡负极材料，是在铜带基底表面一侧附有氧化锡层的负极材料，所述的氧化锡层是在铜带基底表面一侧电镀金属锡镀层，然后采用阳极氧化工艺形成氧化锡薄膜，再经过热处理形成的，该氧化锡负极材料具有介孔结构，介孔直径为2～7.5nm。

上述用于锂电池的氧化锡负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在经过预处理的铜带基底表面一侧电镀锡镀层，所述的镀层厚度为10～15μm，优选11～13μm。

(2)将步骤(1)电镀所得锡镀层材料进行阳极氧化，时间为0.5～2小时，优选1～1.5小时。

(3)将步骤(2)所得材料进行热处理，温度控制在150～400℃，优选200～380℃，时间为0.5～2小时，优选1～1.5小时。