[发明专利]一种低温自活化制备碳包覆锡基复合材料的方法

说明书

一种低温自活化制备碳包覆锡基复合材料的方法，属于储能材料制备技术领域。本发明率先提出了以纤维素或纤维素衍生物作为碳源与锡源共同构建凝胶体系进行低温烧结合成碳包覆锡基复合材料的工艺，由于工艺温度低(250～400℃)，相比传统高温烧结(通常800℃以上)，明显降低了能耗，同时也避免过度碳化而提高了产率。同时合成工艺能在大气气氛下进行，省去保护气氛，并且空气活化使得外包覆碳层具有多孔性结构和富氧官能团，这样不仅降低了对工艺和设备的要求，而且有利于提高倍率特性。本发明方法简单可控，在保证成本控制的同时有利于经济效益的提升，所用原料易于获得、来源广泛、品质稳定、取材环保，因此可实施性强，工业化难度小，易于实现批量生产。

技术领域

本发明属于储能材料制备技术领域，具体涉及一种低温自活化制备碳包覆锡基复合材料的方法。

背景技术

锂离子电池作为新能源领域的重要组成部分，凭借着高电压、高比容量、长寿命、易于储存和重复利用等优点，成为了各种电子产品的首选电源。目前，以石墨材料作为负极活性物质的锂离子电池已经实现商业化，但是传统的石墨负极材料虽然性能稳定，但是理论容量低，安全性能欠佳，快速充放电性能差，越来越不能满足高性能锂离子电池的发展需求。与目前商用的锂离子电池的石墨负极相比，锡基材料具有较高的理论容量和自然储量，并且安全性能良好。但是锡基材料高的嵌锂能力使其体积变化巨大(体积膨胀率甚至超300％)，致使锂离子电池负极活性物质裂纹、粉化、脱落，循环性能变差，造成材料容量损失，这样严重制约了锡基材料的实用化。

研究发现，碳包覆锡基负极材料能够有效抑制材料在脱嵌锂过程中的体积膨胀，同时外层包覆碳的存在还能有效阻止活性物质子在充放电过程中的电化学聚团，同时也增强了活性材料的导电性。现阶段，碳包覆一般有水热法和高温烧结工艺。然而现有工艺或多或少都存在一定局限，造成碳包覆锡基工艺并没有实现量产。我们知道，工业生产不仅需要考虑产品的性能，还有很多方面都需要同时考虑，包括工艺难度，能量消耗，产品产率，原材料来源，原材料储量，生产过程中的副产物等。这样将整体成本控制在合理范围才能实现产品的批量化生产。对于水热反应来说，制成材料的质量好，并且可通过工艺条件控制材料的形貌，但其产率非常低，同时原材料成本如模板剂成本又很高，因此成本问题成为了其作为储能材料不可逾越的障碍。高温烧结是在热处理过程中烧结有机物使其形成单质碳晶体来实现活性物质的包覆，对于高温烧结而言，为了提高碳源的石墨结晶度，技术人员往往会提高烧结温度，而温度每提高一度，所消耗能源的成本也随之上升，并且高温烧结过程对设备要求高，普通设备难以达到高温要求，同时高温烧结势必需要惰性气氛的保护，这也进一步增加了工艺难度和成本；同时高温工艺本身就存在安全隐患，对于工业生产而言存在风险；另外，业内公知高温烧结工艺中碳材料产率又会随着温度的升高而降低，因此如果只是为了提高石墨结晶度来提高温度，这将意味着要得到同量产品就需要投入更多的原料，原料成本的增加无疑会降低商业竞争优势。综上，为了实现碳包覆锡基复合材料的批量化生产，开发一种原料来源广泛、储量高，成本、能耗低，产率高且电化学性能优异的碳包覆锡基负极材料势在必行。

发明内容

针对现有制备碳包覆锡基复合材料存在能耗高、成本高、产率低、投入回报小的缺陷，本发明利用纤维素作为碳源材料所独有的性质，开发得到基于低温烧结、空气活化制备得到碳包覆锡基复合材料的新工艺。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种低温自活化制备碳包覆锡基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将亲水性纤维素或亲水性纤维素衍生物、锡源物质和交联剂溶解在水中，得到混合溶液，在碱性条件下静置，使得所述混合溶液形成凝胶；

步骤2：对步骤1制得凝胶进行清洗并烘干，然后进行碳化处理，完成碳化处理后自然冷却至室温，制得所述碳包覆锡基复合材料。

进一步地，所述步骤1中采用亲水性纤维或者亲水性纤维素衍生物作为碳源，可以选自任何水溶性纤维素及其衍生物，包括诸如羧甲基纤维素、羧乙基纤维素或者经羧基改性具有亲水性的纤维素。