[发明专利]一种用于锂电池阳极材料的纳米异质结构材料及制备

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种用于锂电池阳极材料的纳米异质结构及制备方法，特别是关于在SnO₂(In₂O₃)主干纳米线上氢处理后直接外延Si(Ge)枝干纳米线形成的异质结构。 

二、技术背景

随着锂电池的应用范围逐渐扩展至电动汽车等大功率大电流电动设备，传统的理论可逆比容量372mAh/g的石墨材料已很难满足人们对储锂容量和功率的要求，寻找高比容量、高能量密度和高循环稳定性的电极材料已成为下一代锂电池发展的必然趋势。在诸多的材料中，SnO₂因具有很好的导电性和较高的比容量(理论可逆比容达781mAh/g)；Si(Ge)材料因含量丰富、容易获取，且比容量达到4200(1600)mAh/g而成为最具发展前途的下一代锂电池阳极材料。 

但是，在锂化循环过程中由于锂离子不断地嵌入和脱出，SnO₂材料的体积发生300％的膨胀，Si的体积膨胀超过400％，导致材料粉碎乃至断裂，破坏了电极结构，使其电接触变差，容量下降。近年来的研究发现当把阳极材料做纳米材料或纳米复合材料时，其在循环过程中的体积膨胀会下降，性能也会得到不同程度的提升。 

三、发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于锂电池阳极材料的纳米异质结构，该种结构可兼具两种纳米结构储锂的优点，有望在提高锂电池比容量的同时获得高的循环稳定性。为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 

本发明技术方案是：一种用于锂电池阳极材料的纳米异质结构材料，其特征在于：它采用导电性好、体积膨胀较小的一维金属氧化物(SnO₂或、In₂O₃或SnO_x，In_xO_y，Sn掺杂In_xO_y，In掺杂SnO_x，TiO_x，V_xO_y)纳米结构作为主干材料；用导电性较逊、体胀较大但比容量非常高的Si(Ge)一维纳米结构作为枝干材料。枝干材料嫁接于主干材料。一维纳米结构的形貌可以是纳米线、纳米棒、纳米管或纳米带中的一种或者几种的组合。 

所述纳米异质结构中主干纳米结构导电性好，在锂化循环过程中体积膨胀较小；枝干纳米结构储锂的比容大，嫁接在主干纳米结构上可以提供更多的与锂离子接触的活性位点，且枝干纳米结构之间的空间可以通过催化剂或者种子在主干结构上的分布来调控，从而能够确保对电极材料的高效利用。 

用于锂电池阳极材料的纳米异质结构材料制备方法：枝干材料嫁接于主干材料的嫁接过程只需将SnO₂或In₂O₃纳米主干材料经过氢气处理就会在表面形成Sn或In纳米颗粒，以其作为催化剂通过VLS生长过程即可直接外延Si(Ge)纳米枝干材料。该异质结构中的枝材料干部分，顶着Sn纳米颗粒生长的一维Si(Ge)纳米结构也是一种很好的储锂体系。 

所述主干和枝干材料纳米结构的形貌可以是纳米线、纳米棒、纳米带和纳米管中的任意一种或者多种的组合。 

所述一维金属氧化物主干纳米结构的材料可以是SnO_x，In_xO_y，Sn掺杂In_xO_y，In掺杂SnO_x，TiO_x，V_xO_y，ZnO纳米结构中的任意一种或多种组合的核壳结构(如，具有Sn掺杂In_xO_y壳层结构的SnO_x/In_xO_y核壳纳米线)。枝干纳米结构可以采用一维的Si，Ge，Fe_xO_y纳米结构中的一种或者多种的组合； 

所述催化外延枝干纳米结构的催化剂可以是金属氧化物纳米结构(如SnO_x，In_xO_y)经过氢处理后表面析出金属纳米颗粒(如Sn，In)；可以是Au,Fe，Ni，Ga，Al等常用催化剂；也可以是外延枝干结构的纳米种子。