[发明专利]一种制备牡丹花状N-doped C/SnS锂离子电池负极材料的方法

说明书

本发明公开了一种制备牡丹花状N‑doped C/SnS锂离子电池负极材料的方法，步骤1：将CH₄N₂S加入到乙二醇中溶解后再加入聚乙烯吡咯烷酮搅拌溶解得溶液B；步骤2：取SnCl₂·2H₂O和溶液B并将SnCl₂·2H₂O加入到溶液B中搅拌溶解得溶液C；步骤3：将溶液C置入水热反应釜中下水热反应得浑浊液态前驱体；步骤4：取出浑浊液态前驱体离心洗涤后干燥得N‑doped C/SnS前驱体；步骤5：将N‑doped C/SnS前驱体置入反应炉中并在惰性气体气氛中保温，得牡丹花状N‑doped C/SnS锂离子电池负极材料。将其制备的电池负极材料应用于锂离子电池负极具有优异的循环稳定性和充放电倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料制备方法技术领域，涉及一种制备牡丹花状N-doped C/SnS锂离子电池负极材料的方法。

背景技术

根据国家发布的《汽车产业中长期发展规划》，到2025年，锂离子动力电池能量密度需达到350Wh kg-1以上。目前市场上以石墨作为负极材料的动力锂离子电池的能量密度普遍在240Wh kg-1以下，并且石墨电极的容量已非常接近理论容量，提升空间有限。因此，开发新型高容量负极材料非常重要。SnS基材料由于具有高容量、低毒性、易制备等优点引起了科学家们的广泛关注。

SnS电极材料的研究较少，具有较低的嵌锂电位以及较高的理论容量(782mAh/g)。SnS是一种重要的IV-VI族化合物半导体材料，通过控制锡元素的浓度，既能展示出n-型半导体的性质，又能展示出p-型半导体的性质。单胞跨越两层，沿晶体的C轴堆叠，属正交晶系，晶胞系数a＝433pm、b＝1118pm、c＝398pm，晶体具有畸变NaCl型结构，在每一层中Sn原子和S原子是由较强的共价键结合的，而层与层之间的原子是由比较弱的范德华力结合的。SnS由于其独特的结构以及较高的理论容量而成为有潜力的锂离子电池负极材料。

SnS电极材料在充放电过程主要发生的电化学反应是转换反应和合金化反应，SnS电极材料的可逆容量主要来源于合金化反应，其中，SnS电极材料和锂金属发生嵌脱反应、转换反应等，根据化学反应的充放电电压平台的不同，以下是其电化学反应过程的反应表达式：

SnS+2Li⁺+2e^-→Sn+Li₂S (1)

根据电化学反应充放电电压平台的不同，在1.0～1.5V之间，SnS首先与锂发生一个不可逆的置换反应，生成金属Sn和非晶态的Li₂S，如反应(1)所示，以及SEI膜的形成。而且，首次充放电过程中形成的SEI膜会产生较大的不可逆容量使得首次库伦效率较低。部分研究发现，在1.5V处，首先发生的是锂离子嵌入SnS层状结构发生反应但没有物相的转变(SnS+xLi⁺+xe^-→Li_XSnS)，在1.0V左右，Li_xSnS与锂离子进行转换反应生成Sn单质和Li₂S(Li_XSnS+(2-x)Li⁺+(2-x)e^-→Sn+Li₂S)。而0.8V以下Sn单质和锂离子发生合金化反应。该反应是可逆的，Sn单质最多可结合4.4个锂离子，如反应(2)所示。SnS电极材料的可逆容量主要来源于这一步。另外，SEI膜的形成对电池的性能有较大的影响，稳定的SEI膜会使电化学性能很稳定，不稳定的SEI膜会导致性能衰减很快。

然而和大多数负极材料一样，将SnS作为锂离子电池负极材料存在两个较为严重的问题：一是电极在充放电过程中存在较大的体积膨胀，会使得电极粉化甚至从集流体上脱落，导致其较差的循环稳定性以及结构稳定性；而是其较差的导电性，从而影响电子的传递速率，导致其较缓慢的动力学反应导致其具有较差的倍率性能。

发明内容