[发明专利]二维多孔石墨化碳包覆镍锡合金材料及制备与应用

说明书

技术领域

 本发明涉及一种二维多孔石墨化碳包覆镍锡合金材料及制备与应用，属于锂离子二次电池电极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池具有重量轻、容量大、工作温度范围宽、自放电率低、无环境污染、无记忆效应等特点，因而得到了普遍应用。目前的许多数码设备都采用锂离子电池作为电源，而且，近年来随着新一代混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV）日益受到关注，作为其主要动力能源的锂离子电池愈加成为技术热点。

而目前工业使用的锂离子电池负极材料为碳材料（人造石墨，天然石墨），其理论容量仅为372mAh/g，难以满足高功率和能量密度电动车的需求。所以，制备能够承受大电流，长充放电循环的负极材料成为了技术关键，同时，负极材料还必须具有较大的比表面积，较高的电导率，较快的Li⁺扩散速率和结构稳定等优点。目前新型负极材料主要有两类：一为过渡金属氧化物，例如氧化铁，四氧化三铁，氧化锡，氧化镍等；二为纯金属，例如硅，锡，锑，锗等。其中，锡基负极材料因为具备高理论比容量（992mAh/g）(J. Am. Chem. Soc, 2003, 125,5652-5653)，导电性好，安全环保，价格低廉等优点而受到广泛关注。然而，锡基材料在充放电过程中由于锂离子的嵌入和脱出，会引起本身体积的剧烈膨胀（约为340%），从而易于导致活性材料在循环过程中发生粉化，进而导致其循环性能和倍率性能较差。

为了克服这一问题，目前主要的解决办法有两个：一是将Sn与非活性金属（如Co，Ni，Fe等）形成合金(Adv.Funct.Mater, 2012, 10:1002)；二是制备碳包覆Sn基材料(Angew. Chem. Int. Ed, 2009, 48,6485 –6489)。前者由于非活性金属的存在而减少了整体膨胀的体积，Sn颗粒在Li⁺的嵌入时会形成Li_4.4Sn相而体积膨胀340%，而相比下Ni₃Sn₄颗粒在Li⁺嵌入时只会膨胀238%(ACS.Applied.Materials&Interfaces, 2010, 5:1548-1551)；而后者在结构上给活性材料加以束缚，使其在体积膨胀时受到制约，以达到缓解结构的变化，进而实现保护活性材料的目的。而且对于碳包覆Sn基材料，碳纳米材料由于本身具有很好的导电性、高稳定性、柔性等，因而既可以缓解Sn基材料的体积变化又可以提高它的导电性和离子传输性能。

目前，碳与锡基合金复合材料的制备方法主要有热解法，水热法等。与传统的水热法相比，热解法成本低，制备过程简单，易于实现工业化生产。热解法是指将金属源与碳源充分混合后，在惰性气氛中热解炭化，经后续处理得到碳基体中嵌入或是表面负载纳米金属颗粒材料。其制备出的复合材料通常为三维尺度（三维碳块中嵌入或是表面负载锡或锡基合金）（Adv. Mater.2008, 20, 3169–3175），但一方面锡基合金对碳的催化性能较低，所得碳材料的石墨化程度较低；另一方面所得复合材料一般为三维结构，不利于锂离子和电子的传输，以致电极的循环性能和倍率性能仍不够理想。本发明在传统热解法的基础上加入NaCl模板以形成二维层状结构，同时结合气相交换法以达到同时具有多孔和高度石墨化、循环性能优的二维碳包覆锡基合金负极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维多孔石墨化碳包覆镍锡合金材料及制备与应用。该材料为由碳包覆镍锡合金纳米颗粒均匀嵌入到二维多孔石墨化碳片中构成，其制备方法过程简单，该材料用于锂离子电池负极，具有良好的电化学性能。

本发明的技术方案通过以下步骤实现，一种二维多孔石墨化碳包覆镍锡合金材料，其特征在于，该材料为碳包覆的镍锡合金颗粒嵌入到二维多孔石墨化碳片中，其中二维多孔石墨化碳片厚度为20-100nm，碳包覆镍锡合金纳米颗粒粒径在5-100nm之间，碳包覆层厚度为2-5nm，该材料中镍锡合金与总碳量的质量百分比为：（0.4-0.8）:（0.6-0.2）。

上述结构的二维多孔石墨化碳包覆镍锡合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：