[发明专利]一种锂离子电池用锡-硅基石墨烯球负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用锡‑硅基石墨烯球负极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)、将硅酯类单体溶解到有机溶剂中，制备成混合溶液A，取直径为15‑25nm的干燥二氧化锡球备用；(2)、将混合溶液A按计量比与二氧化锡球进行均匀混合，然后在30‑70℃条件下干燥，得到二氧化锡复合材料；(3)、放入马弗炉中煅烧，得到二氧化硅包覆的二氧化锡纳米球；(4)、放入管式气氛炉内，管式气氛炉内充入载气及碳源气体，利用化学气相沉积，制备石墨烯包覆的锡‑硅石墨烯球。本发明制备出的锡‑硅石墨烯球牢固，避免了石墨烯与被包覆材料之间的结合问题，且石墨烯能完全将SnO₂纳米颗粒均匀包覆，石墨烯对SnO₂形成很好的缓冲层和导电网络，容量可达600‑1500mAh/g，库伦效率可达80～98％。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池用锡-硅基石墨烯球负极材料的制备方法。

背景技术

作为新一代的绿色高能电池，锂离子电池具有重量小、能量密度高、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、无环境污染等优势，已广泛应用于手机、笔记本电脑、摄像机等便携式电子设备中，也是未来电动汽车以及混合式电动汽车优选的动力电源，具有广阔的应用前景。

负极材料是锂离子电池的关键组成部分之一。目前，石墨类负极材料在全球锂电负极材料的占比超过98％。但是，由于石墨材料在充放电过程中，层间距变大，易造成石墨层剥落、粉化，还会发生锂离子与有机溶剂分子共同嵌入石墨层及有机溶剂分解，进而影响电池循环性能。另外，石墨负极材料的发展也遇到了瓶颈，其比容量已经到达极限(理论比容量只有372mAh g-1)，不能满足大型动力电池所要求的持续大电流放电能力(功率性能低)等，因此业界也开始把目光投向金属氧化物材料。金属氧化物大都具有较高的比容量，特别是二氧化锡，其比容量高达782mAh/g，但是二氧化锡作为电极材料在充放电过程中会有200-300％的体积膨胀率，造成电极粉化，导致活性物质与集流体分离，从而引起电极材料容量的迅速衰减，限制了二氧化锡作为锂离子电池负极材料的发展和实际应用。为了解决上述问题，科研工作者进行了深入研究，包括表面包覆、离子掺杂、合金化以及纳米化等，特别是与纳米碳材料构建新的纳米结构，已成为当前的研究热点。

纳米碳材料由于具有独特的微结构，可通过独特的机制大量储存锂离子，有利于提高锂离子电池的充放电容量、循环寿命及电流密度。近年来，石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种(理论厚度仅有0.35nm)，还拥有很高的强度(110GPa)，且理论比表面积高达2630 m²/g。石墨烯独特的原子结构赋予其电学、热学、力学等方面的优异性能，在诸多领域具有广泛的应用前景。目前，以石墨烯作为锂离子电池负极材料已有大量报道。石墨烯是由单层碳原子紧密排列构成，锂离子不仅可以存储在石墨烯片层的两侧，还可以在石墨烯片层的边缘和孔穴中存储，其理论容量为740～780 mAh/g，约为传统石墨负极的2倍多。用石墨烯作为锂离子电池负极材料将极大提高负极材料储锂容量，进而提高能量密度。此外，采用石墨烯作为锂离子电池负极材料时，锂离子在石墨烯材料中的扩散路径较短，且电导率较高，可以很大程度提高其倍率性能。

杨全红课题组利用石墨烯包覆二氧化锡纳米颗粒，制备了SnO₂纳米颗粒/ 石墨烯复合负极材料(ACS Nano，2009，3(11)：3730-3736)，表现出了良好的电化学特性，比容量高达840mAh/g，但是，由于石墨烯不能完全将SnO₂纳米颗粒均匀包覆，也造成了该材料的循环性能极差。另外，由于石墨烯与SnO₂纳米颗粒不能很好接触，所制材料的倍率性能也亟待改善。Zhang等利用水热法制备了SnO₂纳米颗粒/石墨烯复合负极材料(JMC，2011，21(6)：1673-1676)，也表现除了较高的比容量，但是循环稳定性依旧不好。究其原因，还是因为后加入的石墨烯只是简单通过范德华力与纳米二氧化锡混合，两者之间接触不良，并没有对SnO₂形成很好的缓冲层和导电网络。