石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料及制备方法技术

本发明专利技术涉本发明专利技术一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料的制备方法，先是项氧化石墨烯水溶液中加入SnCl4·5H2O，并通过调节器PH值后制备凝胶状物，然后再高温高压环境相反应，干燥后通过在惰性范围下煅烧得到电极材料。这种电极材料通过石墨烯和SnCl4之间形成共价键，充分发挥石墨烯材料与氧化锡基材料之间的协同作用，使石墨烯掺杂氧化锡基锂电池具有较高的比容量和导电性能，极大的改善了材料倍率充电和循环性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂电池负极材料领域，具体涉及一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料，以及这种材料的制备方法。
技术介绍
近年来，国内锂电池产业经过不断的发展与积累已经形成一条较为完整的产业链，包括上游的锂矿资源、中游的锂电池材料以及下游的电池生产。目前我国已是全球最大的锂离子电池制造基地，产量已占全球30％以上。但整体还处于产业链低端，高端动力和储能电池差距较大，是制约我国电动汽车发展的瓶颈。锂离子电池在安全性、续航能力、使用寿命、成本、使用便利性等方面需要继续提高和改进。随着移动设备、电动工具、储能等的高速发展，全球对锂离子电池的需求随之增长迅速，并带动了锂离子产业规模的发展。预计今后5年锂离子电池市场需求仍会以接近50％的年均复合增长率高速成长，到2018年全球需求总量将超过38500万kWh，是2013年的7倍以上，超越铅酸电池成为用量最大的二次电池产品。在产业规模方面，2005-2013年，全球锂电池市场规模从56亿美元增长到141亿美元，复合年增长率12.1％，预计2022年市场规模将422亿美元，未来十年复合年增长率预计为12.9％。我国的锂离子电池产业近些年来发展迅速。2013年，我国的锂离子电池年产量已达到47.68亿只。近年因消费类电子产品市场趋于饱和，锂离子电池需求的增幅将会持续下降。而在电动汽车领域锂离子电池市场将进入飞速发展的阶段。因此，电池电极对石墨的需求大致会经历一个“V”字型过程。未来锂离子电池市场需求高速增长的动力主要来自交通工具及工业储能领域。电子市场的石墨消费量在趋于饱和状态后呈下降态势，到2020年电子产品市场石墨消费量约为2.4万t。而交通工具领域消费则快速增长。基于新能源汽车规划生产能力，预计到2020年电动汽车产量将达到140万辆左右，交通工具领域石墨的需求量将达到6.5万。随着中国电动汽车销量的大幅增长，锂离子电池市场正开始进入黄金期。到2017年，锂离子电池产业规模将暴增400％。对于锂电池而言，电极材料是决定其能量密度的关键因素。目前锂电池负极材料的主要种类有天然石墨(59％)，人造石墨(30％)，中间相炭微球(8％)及其他类型(3％)，石墨类负极材料仍然占据主流地位。由于现有技术限制，当前主流负极材料(如人造石墨、中间相碳微球等)并不能大幅提高锂电池能量密度，负极材料市场急需高效的新型材料。目前研究的锂离子电池非碳基负极材料主要有锡基、硅基以及过渡金属类为主的电极材料，这类材料具有高理论容量，但其缺点是在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显，材料的内应力大，在反复充放电后材料易发生破裂，从集流体上脱落，活性物质含量下降，从而导致材料的循环性能变差。近年来石墨烯等新型负极材料的研发与应用，开始受到业内的关注。石墨烯是一种新型材料，是已知材料中最薄的一种。由于它的电阻率低，电子迁移的速度极快，表面积大和电性能良好，被科学家认为是锂离子电池的理想电极材料。CN104143631A公开了本专利技术涉及一种石墨烯气凝胶负载二氧化锡复合材料的制备方法。属锂离子电池电极材料
本发明方法的主要过程和步骤如下：将质量比为2:1-1:3氧化石墨烯和水溶性锡盐搅拌、超声，加入0.1-2mL有机胺溶液转入水热釜，80℃-180℃下保持6-24h，然后取出圆柱状产物、冷冻干燥即得到石墨烯气凝胶负载二氧化锡复合材料。本专利技术得到的石墨烯气凝胶负载二氧化锡复合材料，薄层石墨烯交错连接，形成微米级孔道，石墨烯的表面均匀负载3-6nm的二氧化锡颗粒。由于石墨烯片层极易聚集堆积成多层结构，从而丧失了其因高比表面积而具有的高储锂空间的优势，并且纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差。通过化学还原法获得的石墨烯在溶剂中易团聚，导致片层的层数增加、这种致密堆积的厚石墨烯片层妨碍了锂离子的扩散作用，造成嵌锂/脱锂过程中的迟滞现象。同时化学还原法不能完全去除石墨烯表面的含氧基团，这些基团的存在会导致材料的比容量降低。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题在于现有石墨烯电极材料在制备过程中容易聚集堆积成多层结构导致其比容量下降的问题，进而提供一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料的制备方法，可以有效避免石墨烯聚集堆积问题，掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料能够有效提高电极的比容量和导电性能，改善材料的倍率充电和循环性能。一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料的制备方法，包括下述步骤：S1、向浓度为10-50mg/ml的氧化石墨烯水溶液中加入SnCl4·5H2O后，再调节混合物PH值为7-9左右，静置陈化4-10小时，洗涤，收集洗涤后的下层产物，即得凝胶状物；S2、将步骤S1制备的凝胶状物置于反应釜中，并添加无水乙醇混合均匀后，加热，并在温度为250-300℃，压力7-9MPa调节下，并保持1-5小时，泄压并缓慢释放流体，干燥后得到干凝胶；S3、将步骤S2制备的干凝胶置于惰性氛围中在温度400-500℃条件下保煅烧20-40min,即可得到石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料。具体地，所述步骤S1中每100ml的氧化石墨烯溶液中加入10～25g的SnCl4·5H2O。优选地，所述步骤S1中采用2-氨基-2-甲基-1-丙醇的调节溶液的PH值。所采用边搅拌边滴加2-氨基-2-甲基-1-丙醇。所述步骤S1中的洗涤为：用蒸馏水和乙醇各洗涤2-3遍。所述步骤S2中的干燥为：氮气吹扫20-40min。所述步骤S3中的惰性氛围为氮气氛围。所述的氧化石墨烯采用氧化剥离方法制备而成。一种由所述的方法制备得到的石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极复合材料。本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：1、本专利技术提供了一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料的制备方法，先是项氧化石墨烯水溶液中加入SnCl4·5H2O，并通过调节器PH值后制备凝胶状物，然后再高温高压环境相反应，干燥后通过在惰性范围下煅烧得到电极材料。这种电极材料通过石墨烯和SnCl4之间形成共价键，充分发挥石墨烯材料与氧化锡基材料之间的协同作用，使石墨烯掺杂氧化锡基锂电池具有较高的比容量和导电性能，极大的改善了材料倍率充电和循环性能。2、本专利技术调节PH值时采用的2-氨基-2-甲基-1-丙醇缓冲液，其不仅可以调节PH值，还可以修饰石墨烯氧化物使得2-氨基-2-甲基-1-丙醇与石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、向浓度为10‑50mg/ml的氧化石墨烯水溶液中加入SnCl4·5H2O后，再调节混合物PH值为7‑9左右，静置陈化4‑10小时，洗涤，收集洗涤后的下层产物，即得凝胶状物；S2、将步骤S1制备的凝胶状物置于反应釜中，并添加无水乙醇混合均匀后，加热，并在温度为250‑300℃，压力7‑9MPa调节下，并保持1‑5小时，泄压并缓慢释放流体，干燥后得到干凝胶；S3、将步骤S2制备的干凝胶置于惰性氛围中在温度400‑500℃条件下保煅烧20‑40min,即可得到石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料的制备方法，其特
征在于，包括下述步骤：
S1、向浓度为10-50mg/ml的氧化石墨烯水溶液中加入SnCl4·5H2O后，
再调节混合物PH值为7-9左右，静置陈化4-10小时，洗涤，收集洗涤后
的下层产物，即得凝胶状物；
S2、将步骤S1制备的凝胶状物置于反应釜中，并添加无水乙醇混合均
匀后，加热，并在温度为250-300℃，压力7-9MPa调节下，并保持1-5小
时，泄压并缓慢释放流体，干燥后得到干凝胶；
S3、将步骤S2制备的干凝胶置于惰性氛围中在温度400-500℃条件下
保煅烧20-40min,即可得到石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料
的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中每100ml的氧化石墨烯溶液中加
入10～25g的SnCl4·5H2O。
3.根据权利要求1所述的石墨烯掺杂的氧化锡基锂纳米电池负极材料
的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦如新，周铁生，
申请(专利权)人：中科探能北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11