[发明专利]一种内嵌锡基氧化物的热解碳电池负极材料及其制备方法

说明书

一种内嵌锡基氧化物的热解碳电池负极材料及其制备方法，属于电池负极材料技术领域；该材料是由碳包覆的纳米锡基氧化物颗粒和热解碳复合而成，碳包覆的纳米锡基氧化物颗粒均匀内嵌在热解碳上；其颗粒直径为2～5nm；所述的碳包覆层厚度为1～5nm；所述的热解碳为三维多孔网状碳结构；制备方法：1)将NaCl：碳源：锡源：能与锡形成合金的可溶性盐混合，用去离子水溶解，磁力搅拌且完全冻实后，进行真空干燥；2)热处理后冷却至室温，制得粉末；3)将粉末洗涤、过滤和烘干；在酸中浸泡；4)烘干制得内嵌锡基氧化物的电池复合负极材料。本发明的电池复合负极材料在钾离子半电池测试中，在50～2000mA g^‑1的电流密度下，首次充电可逆容量为300～500mAh g^‑1,经过20～100次循环后，容量为150～290mAh g^‑1。

技术领域

本发明属于电池负极材料技术领域，涉及一种钾离子电池负极材料技术，具体为一种内嵌锡基氧化物的热解碳电池负极材料及其制备方法。

背景技术

发展可持续能源的替代品包括可再生能源资源和可持续存储技术，对于解决全球对能源需求的担忧和传统的化石燃料和日益严重的环境问起到至关重要的作用。电动汽车和智能电网也对可再生能源资源存在很大的需求。因此，人们对锂离子电池的成本及有限的资源存在很大的担忧，特别是大规模能源存储需要消耗大量的锂资源。钾离子电池由于具有较低的负氧化还原电位K/K⁺(-2.93V)，表明较高的电压和能量密度。但是，由于较大的钾离子半径(1.38埃)，钾离子电池负极材料发展受阻。

在目前研究报道的负极材料中，氧化锡材料由于中间转化和合金化反应而具有较高的理论容量。此外，氧化锡由于低的成本以及相对较低的充放电平台(与其他金属氧化物相比)。但是，氧化锡在充放电过程中仍然具有较大的体积膨胀，低的导电性等导致在循环过程中快速衰减。目前有效的策略是(1)制备纳米化的合计颗粒(2)通过碳源包覆缓解体积变化以及提高导电性。(3)制备多孔结构的锡基氧化物。上述三种改性方法对提高锡基氧化物负极性能均有一定效果，但单一方法不能完全解决锡基负极材料的上述关键问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种内嵌锡基氧化物的热解碳电池负极材料及其制备方法。本发明采用氯化钠作为模板，通过冷冻干燥、热解以及酸洗制备得到一种热解碳内嵌纳米级多孔氧化锡复合负极材料，其结构少有报道，制备工艺简单，安全，且生产成本低廉，形成的结构稳定，该复合材料作为钾离子电池负极，具有容量高，循环稳定性好，倍率性能优良等特点。

本发明的内嵌多孔锡基氧化物的热解碳电池负极材料，该材料是由碳包覆的多孔纳米氧化锡颗粒和热解碳复合而成，纳米氧化锡颗粒均匀内嵌在热解碳上；所述的纳米氧化锡颗粒，其颗粒直径为2～5nm；所述的碳包覆层厚度为1～5nm；所述的热解碳为三维多孔网状碳结构。

所述的电池负极材料在钾离子半电池测试中，在50～2000mA g^-1的电流密度下，首次充电可逆容量为300～500mAh g^-1,经过20～100次循环后，容量为150～290mAh g^-1。表现出了优异的电化学性能。

本发明的内嵌锡基氧化物的热解碳电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混合和干燥：

(1)将NaCl、碳源、锡源、能与锡形成合金的可溶性盐混合，用去离子水溶解，并对溶液进行磁力搅拌；按摩尔比，锡源中的锡元素与可溶性盐中金属元素摩尔数之和：氯化钠的摩尔数为1：(100～500)；锡源中的锡元素与可溶性盐中金属元素摩尔数之和：碳的摩尔数为1：(10～80)；能与锡形成合金的可溶性盐的摩尔数用量确定方法为：锡元素与可溶性盐中金属元素常温下形成锡基合金，根据锡基合金相图确定锡基合金的组成，然后确定可溶性盐中金属元素与锡源中锡元素的摩尔比；

(2)将溶液在-60～-10℃中冷冻，完全冻实后，再进行冷冻真空干燥；