[发明专利]一种锡基合金-碳复合负极活性材料的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及负极活性材料制备及应用技术领域，具体涉及一种锡基中间合金-碳负极活性材料的制备及其在电池中的应用。

背景技术

锂离子二次电池自上个世纪九十年代以来，得到了飞速的发展，广泛应用于移动设备、移动计算、航天航空、生物医药等领域。目前，商品化的锂离子电池负极材料采用的是碳素材料，其具有循环效率高、循环寿命长、电极电位较低等优点。但随着对锂离子电池容量要求的不断提高，石墨负极材料越来越不能满足大功率锂电池的需求。同时，由于钠源分布广泛且价格便宜，钠电池得到了越来越多的关注和发展。钠电池与锂电池有相似的充放电机理，其离子半径与锂离子相比，大55%，故其循环性能受到更多的挑战。近几年来，钠电池得到了科研工作者的青睐，不过，其商品化过程还需要不断的对正极和负极材料进行改性和研究。

锂、钠离子电池负极材料作为提高电池能量及循环寿命的重要因素，理所应当受到研究者的青睐。与其他负极材料相比，锡嵌锂过程中，储锂容量可达993mAh/g，体积比容量更是高达7313mAh/cm³；锡与钠形成合金的过程中，理论比容量为847mAh/g。锡基负极材料是锂、钠电池理想的高容量负极活性材料。同时，其还有加工性好、可快速充放电、电压平台低等众多优点。但是，锡负极材料也存在着巨大的体积膨胀问题，锡与锂的合金化过程，体积膨胀超过300%，锡嵌钠的过程体积膨胀更是超过500%，导致材料的循环性能变差。

目前，本领域尚缺乏一种理论容量高，成本低，循环稳定性好的负极材料。

发明内容

本发明的目的是针对现有制备锂、钠电池负极材料的不足，提供一种理论比容量高、电池循环稳定性较好的锡基中间合金-碳复合负极活性材料的制备及应用。

本发明的第一方面，提供了一种复合材料，所述的复合材料由锡基中间合金MSn₅和碳基质组成，且所述的合金以细微颗粒的形式分布于碳基质中；

其中，M选自下组：铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)，或其组合。

在另一优选例中，所述锡基中间合金MSn₅颗粒的质量百分比为1-99%；且所述碳基质的质量百分比1-99%；以所述复合材料的总重量计。

在另一优选例中，所述锡基中间合金颗粒的质量百分比为30-99wt%；且所述碳基质的质量百分比为1-70wt%；以所述复合材料的总重量计。

在另一优选例中，所述锡基中间合金颗粒的质量百分比为50-97wt%；且所述碳基质的质量百分比为3-50wt%；以所述复合材料的总重量计。

在另一优选例中，所述锡基中间合金颗粒的质量百分比为70-95wt%；且所述碳基质的质量百分比为5-30wt%；以所述复合材料的总重量计。

在另一优选例中，所述材料具有能与锂(Li)或钠(Na)反应的反应相。

在另一优选例中，所述的锡基中间合金MSn₅(M=Fe、Ni、Co、Cu)中，Sn的质量百分含量约为70-95wt%，以所述合金的总重量计。

在另一优选例中，所述Sn的质量百分含量为75-95%；更佳地为80-95%。

在另一优选例中，所述的合金颗粒的M位置存在缺陷；或所述的颗粒的M原子有部分缺失。

在另一优选例中，所述的锡基中间合金具有四方相。

在另一优选例中，所述的锡基中间合金属于P4/mcc空间群。

在另一优选例中，合金的形貌为球状、或近似于球状(通常为“球状颗粒”)。

在另一优选例中，所述的合金粒径尺寸范围为10-100nm，较佳地为20-70nm,更佳地为30-50nm。

在另一优选例中，当所述合金的形貌为球状时，所述的球状合金表面还具有氧化物层。

在另一优选例中，所述的氧化物层具有选自下组的组分：锡(Sn)与M(铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu))元素的氧化物。

在另一优选例中，所述氧化层的厚度为1-10nm，较佳地为2-6nm，更佳地为3-4nm。

在另一优选例中，所述的碳基质选自下组：焦炭、石墨、中间相碳微球、硬碳，或其组合；优选地选自碳纳米管、碳纳米线、碳纳米球、石墨烯，或其组合。

在另一优选例中，所述的碳基质包括对碳材料的改性，主要包括引入金属元素(如钾、镁、铝、镓等)和非金属元素(如硼、氮、硅、磷、硫等)，以提高其容量，降低不可逆容量等。