[发明专利]一种碳/锡/碳空心微球锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池材料技术领域，涉及一种碳/锡/碳空心微球锂离子电池负极材料的制备方法，以SiO₂微球为模板，利用多巴胺聚合反应和水热反应，制备聚多巴胺/SnO₂/聚多巴胺/SiO₂的多层微球结构，通过腐蚀去掉SiO₂微球，在氩/氢混合气氛中焙烧后得到C/Sn/C空心微球；制备过程简单，操作简便，生产成本低，易于批量生产；制备的材料中Sn纳米粒子被完全限制于两层碳球的夹层中，形成一种三明治型结构，在充放电过程中，可以有效阻止Sn的团聚，从而提高材料的充放电性能。

技术领域：

本发明属于锂离子电池材料技术领域，涉及一种金属氧化物/碳复合电极材料的制备方法，特别是一种三明治结构的碳/锡/碳空心微球锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术：

锂离子电池作为二次可充电电池，在电子设备、能源存储、电动汽车领域具有非常重要的应用。目前，锂离子电池的商用负极材料主要为石墨，石墨负极的优势在于循环寿命长、原料丰富、价格低廉，但是其理论容量(372mAh g^-1)较低，不能满足未来高能量密度电池的发展需求。

金属锡Sn作为锂离子电池负极材料，基于合金化嵌锂机理，理论容量为994mAh g^-1，远高于石墨，因而是一种非常有潜力的电极材料。但是，金属Sn面临的主要问题是合金化导致的体积膨胀和结构粉化，会严重降低其循环寿命。

目前，解决上述问题的有效途径之一是将金属Sn与各种纳米碳材料进行复合，利用碳材料的良好的弹性来缓冲或抑制金属Sn在嵌锂过程中的体积膨胀和结构粉化，文献中已经存在了很多对于Sn/C复合材料的研究和报道，例如，文献“Angew.Chem.Int.Ed.2009,48,6485–6489.”报道利用电纺技术制备的含锡碳纤维为前驱体，在1000℃条件下，Ar/H₂气氛中焙烧5h得到Sn@C复合纤维；文献“Part.Part.Syst.Charact.2013,30,873–880”报道以SnO₂空心微球为模板，通过化学气相沉积制备Sn@C空心球复合结构；文献“J.Mater.Chem.A,2014,2,2526.”报道通过两步微波等离子增强化学气相沉积过程来制备Sn@炭纳米管/石墨烯复合材料；专利“一种锡不完全填充碳壳的碳包锡纳米材料的制备方法，CN201610029753.4”提供了一种利用滤纸和SnO₂为原料，通过多步反应过程来制备一种不完全填充的碳包锡纳米材料。近期，文献“J.Mater.Chem.A,2017,5,13769.”则报道了以含有SnO₂的碳棒为前驱体，在CO气氛中，利用电弧放电技术来制备Sn@C复合材料。通过比较发现，现有制备Sn/C复合材料的技术由于需要采用特殊的仪器设备、焙烧温度高等原因，造成样品产率低、造价高、耗时长、不利于规模化制备。因而，发展一种简便的Sn/C复合材料制备方法，对于开发高性能的Sn基电极材料具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种利用液相合成和后续焙烧技术来制备碳/锡/碳(C/Sn/C)空心微球锂离子电池负极材料的方法制备的C/Sn/C空心微球的夹层结构，能够最大程度缓解Sn在嵌锂过程中的体积膨胀和结构粉化问题。

为了实现上述发明目的，本发明以SiO₂微球为模板，利用多巴胺聚合反应和水热反应，制备聚多巴胺/SnO₂/聚多巴胺/SiO₂的多层微球结构，通过腐蚀去掉SiO₂微球，在氩/氢混合气氛中焙烧后得到C/Sn/C空心微球；具体包含以下几个步骤：

(1)利用现有stober方法制备SiO₂微球，SiO₂微球尺寸为200-500nm；