[发明专利]一体化导电网络的石墨烯基金属锡复合材料及锂电池负极

说明书

本发明涉及锂离子电池技术，旨在提供一种一体化导电网络的石墨烯基金属锡复合材料及锂电池负极。其制备方法包括：将葡萄糖溶液加入锡配位硫脲溶液，滴加盐酸并充分搅拌；聚合反应后，冷却得到锡配位的葡萄糖硫脲预聚体与氯化钠的混合溶液；将闪冻后得到球形颗粒，冷冻真空干燥得到前驱体；N₂气氛下煅烧进行预聚体的充分聚合和保温碳化；冷却、清洗、过滤、真空干燥，得到石墨烯基金属锡复合材料。本发明将纳米金属锡植入石墨烯，避免金属锡的粉化和脱落；有效降低了因锂无法穿透石墨烯层所造成的传输阻力，石墨烯的柔性和高强度有效地稳定了电极结构。生产工艺简单、高效、绿色、廉价的先进石墨烯基电极材料。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术，特别涉及一种一体化导电网络的石墨烯基金属锡复合材料及锂电池负极。

背景技术

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。锂离子电池传统负极材料有石墨(C₆)，硫化物(Fe₂S₃、TiS₂、NbS₂)，氧化物(WO₃、V₂O₅、SnO₂等)。以石墨负极材料为例，充放电过程中负极反应：

C₆+xLi⁺+xe＝＝Li_xC₆

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。作为负极的石墨呈层状结构，到达负极的锂离子嵌入到石墨层间，形成嵌锂化合物(Li_xC₆)，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。当电池进行放电时，嵌在石墨层中的锂离子脱嵌，又运动回到正极。能够回到正极的锂离子越多，放电容量越高。

作为锂电池的负极材料必须具备以下要求：(1)储锂能力大；(2)锂在负极材料中的嵌入、脱嵌反应快，即锂离子在固相中的扩散系数大，在电极－电解液界面的移动阻抗小；(3)锂离子在电极材料中的存在状态稳定；(4)在电池的充放电循环中，负极材料体积变化小；(5)电子导电性高；(6)负极材料在电解液中不溶解。

负极材料的选择对电池的性能有很大的影响。目前锂电池负极研究开发工作主要集中在碳材料和具有特殊结构的金属化合物，最常用的是石墨电极。石墨导电性好，结晶度较高，具有良好的层状结构，适合锂的嵌入和脱嵌，而且它的嵌锂电位低且平坦，可为锂离子电池提供高的平稳的工作电压，大致为：0.00～0.20V之间(vs.Li⁺/Li)。但是，石墨类负极材料的比容量约为330～350mAh/g，无法满足人们对高容量电极的需求。然而，高容量材料脱嵌锂造成巨大体积变化，导致材料粉化、电极膨胀，电阻增大、容量衰退，严重制约其商业化应用。抑制大容量材料嵌锂产生的体积膨胀及其对电极结构的破坏是改善大容量负极性能稳定性的关键科学问题。大容量材料与性能极佳的石墨烯通过纳米化学复合是解决高容量材料粉化与电极膨胀破坏的有效方法。

石墨烯具有高电导率、高比表面积以及极佳的柔性和抗拉强度，是构建高性能电极材料的优秀载体。传统规模化石墨烯制备工艺繁琐，成本高，产生强酸废液，难以实现高效、绿色、廉价的石墨烯基电极材料生产。

本发明针对大容量材料易粉化以及石墨烯工业化生产的难点，以葡萄糖硫脲预聚体为主要原料，采用熔盐一锅法原位合成石墨烯基金属锡复合材料，一举突破石墨材料的容量瓶颈，具有高性能低成本的优点，适用于大规模工业化生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种一体化导电网络的石墨烯基金属锡复合材料及锂电池负极。

为了解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种一体化导电网络的石墨烯基金属锡复合材料，是通过下述方法制备获得：