一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种水凝胶衍生的Sn‑Fe‑C微纳材料，还公开了上述水凝胶衍生的Sn‑Fe‑C微纳材料的制备方法以及其在锂离子电池负极材料方面的应用。本发明专利技术Sn‑Fe‑C微纳材料作为锂离子电池负极材料，在结构上，该Sn‑Fe‑C微纳材料同时具有纳米结构单元和微米组装体的结构特性，能表现出良好的结构稳定性以及电荷传输能力；在组成上，Sn与Fe以及Sn‑Fe合金与碳介质在该Sn‑Fe‑C微纳材料中高度均匀分布，可充分发挥金属铁和碳介质对锡组分的缓冲/导电作用；因此，本发明专利技术Sn‑Fe‑C微纳材料能表现出良好的储锂性能，具体体现在具有好的循环稳定性、高的比容量和倍率特性。

A hydrogel derived Sn Fe C micro nano material and preparation method and application thereof

The invention discloses a hydrogel derived Sn Fe C micro nano materials, also discloses the hydrogel derived Sn Fe C micro nano materials preparation and its application in the aspects of anode materials for lithium ion batteries. The invention of Sn Fe C micro nano material as anode materials for lithium ion batteries, in the structure, the structure characteristics of the Sn Fe C micro nano materials with nano structure and micron unit assembly, can exhibit good structural stability and charge transport ability; in the composition, Sn and Fe and Sn Fe alloy and carbon in the medium of Sn Fe C micro nano materials in highly uniform distribution, can make full use of iron and carbon medium on the tin component buffer / conductive effect; therefore, the invention of Sn Fe C micro nano materials can exhibit good lithium storage performance, is embodied in the good cyclic stability, high specific capacity and rate capability.

【技术实现步骤摘要】
一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料，还涉及上述Sn-Fe-C微纳材料的制备方法以及该Sn-Fe-C微纳材料在锂离子电池负极材料方面的应用。
技术介绍
目前，全球正面临能源危机与环境污染两大严峻挑战。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应和环境友好等优点，在电动汽车、电网调峰和可再生能源存储等交通和储能领域都显示出了诱人的前景，对能源节约与高效利用、降低碳排放和环境保护具有重要的意义，已成为全球关注的焦点。当前，商业化锂离子电池负极材料主要采用石墨类碳材料，但石墨的理论比容量仅为难以满足动力电池的需求。为了克服这一难题，除了对碳材料进行改性研究之外，寻求新的负极体系也是重要的途径之一。锡基合金(Sn-M，M＝Fe、Co、Ni、Sb、Bi、In，etc)特别是锡铁(Sn-Fe)合金具有比容量高、安全性好、原料易得和环境友好等优点，有望取代当前商业化的碳基材料而成为锂离子动力电池的负极材料。然而，Sn-Fe合金的合金化/去合金化储锂过程在带来高比容量的同时，也会引起巨大的体积变化，导致Sn-Fe合金的粉化和比容量的快速衰减。当前，研究工作集中于从Sn-Fe合金基负极材料的结构和组成两个方面来设计进而改善其储锂性能。在结构方面，微纳分级结构同时具有纳米结构单元和微米组装体的结构特性，因而能表现出良好的结构稳定性以及电荷传输能力；在组成方面，将Sn-Fe合金与碳材料复合形成Sn-Fe-C复合材料，利用碳介质可有效缓冲Sn-Fe合金的体积变化并提高其电荷传输能力，从而改善Sn-Fe合金的储锂性能。因此，Sn-Fe-C微纳材料作为锂离子电池负极材料同时具有结构和组成优势，有望表现出理想的储锂性能从而满足动力电池的需求。在Sn-Fe-C负极材料方面，当前报道主要集中在利用球磨过程将锡粉、铁粉和碳粉转变为Sn-Fe-C微米材料，以及利用液相还原过程将Sn-Fe合金沉积到纳米碳介质的表面形成Sn-Fe-C纳米材料。然而，一方面，上述球磨法和液相还原法得到的产物为单一的微米材料或纳米材料，难以制备由纳米单元组装而成的微米材料(微纳材料)，另一方面，上述方法难以实现Sn与Fe以及Sn-Fe合金与碳介质在纳米尺度的均匀分布，未能充分发挥金属铁和碳介质对锡组分的缓冲/导电作用；从而无法获得高性能Sn-Fe-C负极材料，制约了其商业化应用。因此，研发一种制备Sn-Fe-C微纳材料的新方法，该方法能够得到Sn与Fe以及Sn-Fe合金与碳介质的高度均匀分布，对于获得高性能Sn-Fe-C负极材料并推进其实用化具有重要的理论和实践意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是提供一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料。本专利技术还要解决的技术问题是提供上述水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料的制备方法。本专利技术最后要解决的技术问题是提供上述水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料在锂离子电池负极材料方面的应用。
技术实现思路
：为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术手段为：一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料，所述Sn-Fe-C微纳材料为：由碳前驱体热处理形成的碳纳米组分以及Fe-C≡N-Sn结构单元热处理生成的Sn-Fe纳米合金沿凝胶前驱体骨架相互连接形成的由纳米单元组装成的微米网络结构，其中，Sn-Fe纳米合金均匀分布在纳米多孔网络结构的内部。其中，所述碳前驱体为柠檬酸、尿素、葡萄糖、三聚氰胺、聚乙二醇、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或任意几种的组合。其中，所述热处理的温度为400～1000℃，热处理后保温0.1～24小时。其中，Sn4+和Fe2+以氰基桥联形式Fe-C≡N-Sn在凝胶骨架上均匀分布，经热处理形成均匀的Sn-Fe合金；碳前驱体原位固定在凝胶骨架中，经热处理形成Sn-Fe合金与碳组分均匀分布的Sn-Fe-C微纳材料。上述水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将所需量的四氯化锡和亚铁氰化钾分别溶解在碳前驱体水溶液中，分别得到四氯化锡-碳前驱体混合溶液和亚铁氰化钾-碳前驱体混合溶液；步骤2，将步骤1中四氯化锡-碳前驱体混合溶液和亚铁氰化钾-碳前驱体混合溶液混合，得到碳前驱体复合的Fe-C≡N-Sn氰基桥联配位聚合物水凝胶；步骤3，将步骤2的水凝胶冷冻干燥得到碳前驱体复合的Fe-C≡N-Sn氰基桥联配位聚合物气凝胶；步骤4，在惰性气氛下对步骤3的气凝胶进行热处理，热处理后经洗涤、干燥得到Sn-Fe-C微纳材料。其中，步骤1中，所述碳前驱体为柠檬酸、尿素、葡萄糖、三聚氰胺、聚乙二醇、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或任意几种的组合。其中，步骤1中，碳前驱体水溶液中，碳前驱体的质量浓度为0.01～1g/mL。其中，步骤1中，四氯化锡-碳前驱体混合溶液中，四氯化锡的浓度为0.05～5mol/L；亚铁氰化钾-碳前驱体混合溶液中，亚铁氰化钾的浓度为0.01～1mol/L。其中，步骤2中，碳前驱体复合的Fe-C≡N-Sn氰基桥联配位聚合物水凝胶中，四氯化锡和亚铁氰化钾的摩尔比为0.1∶1～10∶1。其中，步骤4中，热处理的温度为400～1000℃，热处理后保温0.1～24小时。上述水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料在锂离子电池负极材料方面的应用。本专利技术Sn-Fe-C微纳材料作为锂离子电池负极材料，在结构上，该Sn-Fe-C微纳材料同时具有纳米结构单元和微米组装体的结构特性，能表现出良好的结构稳定性以及电荷传输能力；在组成上，Sn与Fe以及Sn-Fe合金与碳介质在该Sn-Fe-C微纳材料中高度均匀分布，可充分发挥金属铁和碳介质对锡组分的缓冲/导电作用；因此，本专利技术Sn-Fe-C微纳材料能表现出良好的储锂性能。相比于现有技术，本专利技术技术方案具有的有益效果为：本专利技术制备方法制得的Sn-Fe-C微纳材料实现了Sn与Fe以及Sn-Fe合金与碳介质的均匀分布，从而充分发挥了金属铁和碳介质对锡组分的缓冲/导电作用，利用碳介质可有效缓冲Sn-Fe合金的体积变化并提高其电荷传输能力，从而改善Sn-Fe合金的储锂性能，本专利技术的Sn-Fe-C微纳材料具有良好的储锂性能，因此能够应用于锂离子电池的负极材料。附图说明图1为实施例1制得的Sn-Fe-C微纳材料的透射电镜图(1μm)；图2为实施例1制得的Sn-Fe-C微纳材料的透射电镜图(500nm)；图3为实施例1制得的Sn-Fe-C微纳材料的X射线衍射图；图4为实施例1制得的Sn-Fe-C微纳材料的循环伏安图；图5为实施例1制得的Sn-Fe-C微纳材料的循环性能图；图6为实施例1制得的Sn-Fe-C微纳材料的倍率性能图；图7为实施例2制得的Sn-Fe-C微纳材料的循环性能图；图8为实施例2制得的Sn-Fe-C微纳材料的倍率性能图。具体实施方式根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。然而，实施例所描述的内容仅用于说明本专利技术，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本专利技术。实施例1本专利技术水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将所需量的四氯化锡和亚铁氰化钾分别溶解在柠檬酸水溶液中，分别得到四氯化锡-柠檬酸混合溶液和亚铁氰化钾-柠檬酸混合溶液，柠檬酸水溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水凝胶衍生的Sn‑Fe‑C微纳材料，其特征在于：所述Sn‑Fe‑C微纳材料为：由碳前驱体热处理形成的碳纳米组分以及Fe‑C≡N‑Sn结构单元热处理生成的Sn‑Fe纳米合金沿凝胶前驱体骨架相互连接形成的由纳米单元组装成的微米网络结构，其中，Sn‑Fe纳米合金均匀分布在纳米多孔网络结构的内部。

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料，其特征在于：所述Sn-Fe-C微纳材料为：由碳前驱体热处理形成的碳纳米组分以及Fe-C≡N-Sn结构单元热处理生成的Sn-Fe纳米合金沿凝胶前驱体骨架相互连接形成的由纳米单元组装成的微米网络结构，其中，Sn-Fe纳米合金均匀分布在纳米多孔网络结构的内部。2.根据权利要求1所述的水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料，其特征在于：所述碳前驱体为柠檬酸、尿素、葡萄糖、三聚氰胺、聚乙二醇、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或任意几种的组合。3.根据权利要求1所述的水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料，其特征在于：所述热处理的温度为400～1000℃，热处理后保温0.1～24小时。4.一种权利要求1所述水凝胶衍生的Sn-Fe-C微纳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将所需量的四氯化锡和亚铁氰化钾分别溶解在碳前驱体水溶液中，分别得到四氯化锡-碳前驱体混合溶液和亚铁氰化钾-碳前驱体混合溶液；步骤2，将步骤1中四氯化锡-碳前驱体混合溶液和亚铁氰化钾-碳前驱体混合溶液混合，得到碳前驱体复合的Fe-C≡N-Sn氰基桥联配位聚合物水凝胶；步骤3，将步骤2的水凝胶冷冻干燥得到碳前驱体复合的Fe-C≡N-Sn氰基桥联配位聚合物气凝胶；步骤4，在惰性气氛下对步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴平，史红霞，张秀奎，徐孝诚，张晨星，张安萍，周益明，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32