[发明专利]一种碳硅包覆二氧化锡复合物及其制备方法与作为锂离子电池负极材料的应用

说明书

本发明公开了一种碳硅包覆二氧化锡复合物及其制备方法与作为锂离子电池负极材料的应用，将磨碎的生物质和离子液体混合，经碳化后得到生物碳；将硅粉和SnO₂纳米颗粒混合后球磨，得到硅氧化合物包覆二氧化锡纳米颗粒；将生物碳加入硅氧化合物包覆二氧化锡纳米颗粒中，继续球磨得到生物碳硅包覆二氧化锡复合物；最后将生物碳硅包覆二氧化锡复合物过筛即得。本发明通过球磨的方法，简单方便制得所需的碳硅包覆二氧化锡复合物负极材料，可逆比容量较高，导电性好，循环性能好。

技术领域

本发明涉及一种碳硅包覆二氧化锡复合物及其制备方法与作为锂离子电池负极材料的应用，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电子设备和电动汽车(EVs)，随着电子设备和电动汽车(EVs)的快速发展，急需寻找到具有高容量、循环寿命长和导电性好的负极材料来取代商业石墨负极(其比容量有限，仅为372mAh g^-1，速率性能较差)。近年来，人们致力于利用金属氧化物等高比容量材料构建复合结构的锂离子电池负极。SnO₂作为一种高理论容量(约1493mAh g^-1)、低成本、环境友好的潜在负极材料，在储锂机理和实际应用方面受到了广泛关注。虽然SnO₂具有相当高的比容量，但在锂化/去锂化反应中其巨大的体积变化(约300％)和锡颗粒的聚集导致了容量急剧下降。此外，差的可逆性和导电性也阻碍其在锂离子负极材料中的应用。通过构建纳米结构并与复合结构，可以有效地缓冲电极在充放电过程中的体积膨胀和扩散诱导的应变，从而提高其电化学性能。在一些复合材料中，SnO₂粒子直接暴露在电解液中，导致了不良的副反应和SnO₂与电解液界面不稳定。因此，有必要设计更精细的结构或引入其他元素来进一步提高SnO₂/碳材料复合结构的储能性能。据我们所知，理论容量最高的Si(4200mAh g^-1)得到了广泛的研究。然而，与SnO₂类似，由于硅颗粒的体积变化(约400％)大限制了其在LIBs中的应用。有些报道表明，Si和SnO₂的多重效应有利于锂的存储性能。通过球磨法制备硅氧化合物(SiO_x)@SnO₂复合物，有利于提高负极材料的导电性，同时在纳米SnO₂表面包覆一层硅氧化合物有效抑制了锡颗粒的聚集，在可逆储锂方面表现出显著的协同作用。最终，通过球磨再与碳材料进行复合，多层包覆的结构不仅使其具有好的电化学性能，而且可以防止锡的聚集。不同于水热制备，采用球磨法制备碳硅包覆二氧化锡复合物(C/SiO_x@SnO₂)复合材料，不仅简单方便，而且硅还原二氧化锡产生“空穴”有助于缓冲电极的体积变化。

生物质材料是可再生的且存量丰富，包括木粉、秸秆、玉米杆、稻壳、甘蔗渣、纤维素、木质素、棉花。这类生物质主要组份为纤维素、半纤维素和木质素三种天然高聚物。其中纤维素占50％～65％(w/w)，是由D-吡喃式葡萄糖基通过β-1/4糖苷键连接而成的线型高聚物，每个葡萄糖单元上均含有3个游离羟基，由于纤维素通过羟基形成分子间氢键，结晶度高；半纤维素为高聚糖类，占20～30％(w/w)，主要由木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等五碳糖组成；木质素占15％～30％(w/w)，是由三种苯丙烷单元通过C-C键和C-O-C键联结而成，具有三维立体网状结构的高聚物，且通过LCC键与半纤维素相联结。生物质材料富含大量的碳元素，并且作为纤维材料，非常适合制备多孔碳材料，环境友好，变废为宝。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对SnO₂负极材料在储锂上的缺陷，提供一种环境友好的方法制备碳硅包覆二氧化锡复合物(C/SiO_x@SnO₂)负极材料。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种碳硅包覆二氧化锡复合物的制备方法，包括如下步骤：