[发明专利]一种基于石墨烯复合的部分非晶化二氧化锡三维自组装锂离子电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于石墨烯复合的部分非晶化二氧化锡三维自组装锂离子电极材料，由过渡金属氧化物和碳材料组成，在所述的电极材料中，所述的过渡金属氧化物的质量分数为60～80％，余量为碳材料。本发明还提供了上述电极材料的制备方法，将碳材料预先氧化处理，再通过水热自组装成三维凝胶，然后与锡盐在低温水热条件下进行水解反应生成部分非晶化的二氧化锡与三维碳材料复合的锂离子电池负极材料。通过本发明的方法制得的基于石墨烯复合的部分非晶化二氧化锡三维自组装锂离子电极材料具有高容量、循环稳定性好的特点。本发明提供的方法，制备方法简单、成本低廉。

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种锂离子电极材料，具体来说是一种基于石墨烯复合的部分非晶化二氧化锡三维自组装锂离子电极材料及其制备方法。

背景技术

随着经济社会的迅猛发展和日新月异的科技创新，我们对于能源的需求也将呈指数式的增长，因而传统的化石能源的供应也远远不能满足世界上十几亿人口的生活。锂离子电池二次电池具有能量密度高、工作电压高、无记忆效应和绿色环保等优点，现已广泛应用于各类电子器件以及便携式设备。然而作用商用的锂离子负极材料石墨的比容量仅有372mAh/g，这使得其在大功率设施如混合电动车、公交、智能电网等应用上非常受限。过渡金属氧化物具有很高的理论容量(>600mAh/g)，是目前替代石墨成为最有潜力实现高能领域发展的负极材料。其中，二氧化锡负极材料理论比容量为1493mAh/g，除此之外，低廉、环保等优点使其成为热门的研究材料。

二氧化锡负极材料的电化学反应机理主要包含两大步骤。首先二氧化锡会与锂离子发生不可逆的转发生成锡金属和氧化锂，随后锡金属在进一步被锂还原生成一系列的锡锂合金，反应过程的方程式即如下所示：

SnO₂+4Li⁺+4e^-→Sn+2Li₂O (1)

尽管二氧化锡具有较高的理论容量，但由于其电化学反应中存在以下两个关键问题：(I)在循环充放电过程中活性材料产生的巨大的体积改变 (～300％)；(II)在初始放电反应过程中存在的非常大的不可逆容量的损失(～50％)。这使得二氧化锡负极材料出现容量低、循环稳定性差等缺点。针对第一个问题许多研究者做了大量的工作，例如设计具有中空或核壳结构的纳米材料、将二氧化锡与其他金属氧化物进行复合以及各种碳材料的包覆等措施都使得二氧化锡的电化学性能有一定的改善。但对于第二个问题很少研究工作的报道，由于第一步不可逆反应使得二氧化锡的实际容量只782mAh g^-1并且这种不可逆的反应将会造成较低的初始库伦效率和带来不必要的对电极活性材料的损失。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯复合的部分非晶化二氧化锡三维自组装锂离子电极材料及其制备方法，所述的这种基于石墨烯复合的部分非晶化二氧化锡三维自组装锂离子电极材料及其制备方法要解决现有技术中三维自组装锂离子电极材料在二氧化锡充放电过程中巨大的体积变化的技术问题，更重要的是解决初次放电反应中不可逆的转化的技术问题。

本发明提供了一种基于石墨烯复合的部分非晶化二氧化锡三维自组装锂离子电极材料,由过渡金属氧化物二氧化锡和碳材料组成，在所述的电极材料中，所述的过渡金属氧化物的质量分数为60～80％，余量为碳材料。

进一步的，所述的碳材料为石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米棒、碳纳米线、碳纳米棍、碳纤维中的任意一种，或者石墨烯与单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米棒、碳纳米线、碳纳米棍、碳纤维中的任意一种的混合。

本发明还提供了上述的一种基于石墨烯复合的部分非晶化二氧化锡三维自组装锂离子电极材料及其制备方法,包括以下步骤:

步骤一,将石墨采用Hummers法氧化处理得到碳材料，然后配制成 7～15mg/ml氧化的的碳材料水溶液；