[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料科学与电化学技术的交叉技术领域，涉及一种溶剂热法制备导电纳米晶/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

由于化石燃料储量日渐降低和环境污染的日益加剧，同时人们对能源的需求不断增长,开发清洁高效的新型能源成为世界人们的研究重点。锂离子电池作为一种新型的储能装置, 具有比能量高、工作电压高、循环寿命长和环境友好等优点被广泛应用在混合动力汽车、电动汽车、智能电网等领域当中。

电极材料是影响电池能量密度和使用寿命的关键,目前商品化的锂离子电池的负极材料多为石墨,由于其比容量较低（理论比容量为378 mAh/g），已经不能满足人们对电池性能的需求。因此研究和开发新型锂离子电池负极材料迫在眉睫。

近年来，许多先进的高性能负极材料陆续被发现并被得到深入研究。其中稳定宽禁带半导体二氧化锡因为其较高的理论容量（782 mA h g^-1）成为最有潜力的锂离子电池负极材料之一。但氧化锡负极材料在嵌锂脱锂过程中会产生超过自身体积300%的体积膨胀，这会导致电极粉化，严重影响电池的循环稳定性，极大的制约了其工业化。

石墨烯因其独特的二维蜂窝状层状导电结构，为其带来了许多优点，如常温下具有较高载流子迁移率（200 000 cm²/(V·s)），高比表面积，高柔韧性，出色的化学和机械性能等，这使得它成为了一种十分理想的复合材料基材。

为了进一步提高锂离子电池容量，近年来出现了一种金属氧化物/石墨烯的复合材料，以二氧化锡/石墨烯复合材料为主。中国专利CN 101969113 A公开了一种石墨烯基二氧化锡复合物的制备方法，但该方法制备的二氧化锡与石墨烯复合材料用于锂离子电池负极时容量偏低（600mAh/g）；中国专利CN 101927979 A公开了一种二氧化锡/石墨烯纳米复合物的制备方法，但该方法制备的复合物中氧化锡颗粒较大，并且容量偏低（700mAh/g）；中国专利CN 103078095 A公开了一种二氧化锡/石墨烯复合物的制备方法，但该方法制备的复合物用于锂电池负极材料时容量衰减快，稳定后的容量仅540mAh/g。这些复合材料由于内阻高，二氧化锡晶粒易团聚等问题，造成了其应用于锂离子电池时容量偏低，可逆性差等问题。因此，制备一种内阻低、晶粒尺寸均匀、形貌规整的负极材料对于提高锂离子电池的可逆容量、增强倍率性能具有重要意义。

为解决上述复合材料存在的问题，本发明采用溶剂热法制备以还原氧化石墨烯作为基体骨架，二氧化锡基导电纳米晶在还原氧化石墨烯片层两面均匀生长的二氧化锡基导电纳米晶/还原氧化石墨烯复合材料。通过此方法制备的二氧化锡基导电纳米晶/还原氧化石墨烯复合材料电化学性能优异、比容量高、循环性能好，克服了以往负极材料存在的不足。同时该方法工艺简单、条件温和、成本低廉，适用于锂离子电池负极材料及其产业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用工艺简单、条件温和、分散均匀的还原氧化石墨烯/二氧化锡基导电纳米晶复合物的制备方法，解决了现有技术所得石墨烯/金属氧化物复合物中石墨烯片层堆叠、界面电阻大、金属氧化物颗粒团聚、内阻高等问题，提高了电池的比容量，增强了电池的循环稳定性和倍率性能。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种二氧化锡基导电纳米晶/还原氧化石墨烯复合材料，以还原氧化石墨烯作为基体骨架，二氧化锡基导电纳米晶在还原氧化石墨烯片层两面均匀生长的复合材料。还原氧化石墨烯的层数为1～5层。二氧化锡基导电纳米晶为W、F、Mo、Nb、Ta、Cr中的一种或几种掺杂的SnO₂；所述二氧化锡基导电纳米晶中异质原子的掺杂含量为0.01～20 at%。二氧化锡基导电纳米晶的晶粒尺寸为7～30 nm，其粉体方块电阻为20～60Ω/□。还原氧化石墨烯和二氧化锡基导电纳米晶的质量比为1∶0.1～10。

一种锂离子电池负极材料的制备方法，该方法的具体步骤为：

A.    配置质量浓度为0.01～0.30 g/ml的二氧化锡基导电纳米晶分散液，二氧化锡基导电纳米晶为W、F、Mo、Nb、Ta、Cr中的一种或几种掺杂的SnO₂；所述二氧化锡基导电纳米晶中异质原子的掺杂含量为0.01～20 at%；

B.     将还原氧化石墨烯粉末均匀分散到二氧化锡基导电纳米晶分散液中，然后将分散液转入到高压反应釜进行溶剂热反应，还原氧化石墨烯和导电纳米晶的质量比为1∶0.1～10；