[发明专利]一种石墨烯/氧化亚锡二维异质结复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/氧化亚锡二维异质结复合材料及其制备方法和用途，属于锂离子电池材料技术领域，所述复合材料由石墨烯纳米片与氧化亚锡纳米片进行层层组装复合而成；所述复合材料中，石墨烯纳米片的重量分数为20～95％，氧化亚锡纳米片的重量分数为80～5％。本发明的目的是从廉价易得的石墨和氧化亚锡矿物中剥离制备石墨烯及SnO纳米片，并构建石墨烯和氧化亚锡纳米片间的二维协同作用，制备石墨烯/SnO二维纳米异质结复合材料；强化锂离子电池电极反应中电子离子传输通路并缓冲材料在充放电过程中的体积膨胀，获得一种高容量、长寿命的新型锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种石墨烯/氧化亚锡二维异质结复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，锂二次电池自以其优异的性能在移动电子设备、新能源汽车等多个领域取得广泛应用。随着能源与环境问题的日益严峻，新能源产业的发展对锂离子电池性能也提出了更高的要求：现有的电池材料及器件体系已无法满足日益增长的高容量、长寿命的需求。石墨是常用的商用锂电池负极材料，理论比容量仅为372mAh/g,研究能取代石墨作为锂离子电池负极的材料是近几年的研究热点(Nano letters,2008,8(8),2277-2282)。石墨烯用作锂离子电池负极展现出了良好前景，虽然其理论比容量高但是其容量衰减严重等问题也限制了其发展(Journal of Power Sources,2013,240(10),66-79)。

锡基负极材料有着良好的导电性，其用作锂离子电池负极材料时，其操作电位远高于锂的析出电位使大电流充放电过程中的锂沉积问题得到解决，且充放电过程中不存在溶剂共嵌入问题，对电解液的选择限制较小，而且其容量相对较高(Nano letters,2012,12(5)，2318-2323)。但是其体积膨胀问题仍然是限制其性能发挥的内在因素，循环稳定性以及容量衰减问题亟待解决(ACS nano,2014,8(2)，1728-1738)。

锡基负极材料主要以Sn、SnO、SnO₂为代表，理论容量分别达到990mAh/g(Sn)(ACSnano,2014,8(2)，1728-1738)、875mAh/g(SnO)、783mAh/g(SnO₂)(ACS applied materialsinterfaces,2017,9(40),35030-35039)，但是Sn在充放电过程中与锂发生合金化反应产生较大体积膨胀与收缩引起容量衰减。而SnO与SnO₂在合金化反应之前会先与锂离子反应生成氧化锂(Li₂O)(Journal of The Electrochemical Society,2011,158(12),1335-1339)造成锂离子的消耗，产生不可逆容量。与SnO₂相比，SnO理论比容量高于SnO₂，同时从理论上来说不可逆容量更低，因为SnO只有一个氧，与锂离子反应生成氧化锂的电极反应中会比SnO₂消耗更少的锂离子，产生较低的不可逆容量。综上所述，SnO在用作锂离子电池负极材料时有较大优势，有望实现其在商业化锂离子电池中的长足发展。石墨烯是一种由单层碳原子形成的新型二维材料，具有其优异的导电导热性、大的比表面积等卓越性能。但应用到锂离子电池中，由于石墨烯过大的比表面积，导致其形成的SEI膜过量消耗锂，造成容量衰减快、体积比容量低等缺点。在SnO的电极反应中，体积膨胀是影响其性能的一个主要原因。构建石墨烯与SnO材料的二维协同效应，制备石墨烯/SnO的异质结构材料，利用石墨烯抑制、容纳氧化亚锡的体积膨胀，并提供高效稳定的电子迁移通路，有望得到一种新型的高比容长寿命的锂离子电池负极材料。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种能够用于锂电池负极的石墨烯/氧化亚锡二维异质结复合材料及其制备方法。

本发明所采用的技术方案为：