氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极，包括作为基底的碳布、氧化锡、锂金属或钠金属；其中碳布、氧化锡、锂金属的质量比为1:0.048～0.065:1.2～1.8，碳布、氧化锡、钠金属的质量比为1:0.048～0.065:2.2～3.2；具体为柔性多孔的碳布作为支撑基底，氧化锡附着在碳布的表面，锂或钠金属吸附在氧化锡改性碳布基的表面及孔洞上。本发明专利技术还公开了一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极的制备方法。本发明专利技术三维多孔结构的基底可增大电池负极的反应面积，抑制枝晶的产生；孔洞结构，可容纳锂或钠的沉积，减缓锂金属负极或钠金属负极在充放电循环过程中的体积变化；电压分布曲线更平稳，可用于柔性储能器件。

Tin oxide modified carbon cloth lithium and sodium metal negative electrode and preparation method thereof

The invention discloses a tin oxide modified carbon cloth lithium and a sodium metal negative electrode, including a carbon cloth, tin oxide, lithium metal or a sodium metal as a substrate, wherein the mass ratio of carbon cloth, tin oxide and lithium metal is 1:0.048-0.065:1.2-1.8, and the mass ratio of carbon cloth, tin oxide and sodium metal is 1:0.048-0.065:2-3.2; in particular, the mass ratio of carbon cloth, sodium metal is 1:0.048-0.065:2-3.2. Flexible porous carbon cloth is used as supporting substrate, tin oxide is attached to the surface of carbon cloth, lithium or sodium metal is adsorbed on the surface and pore of tin oxide modified carbon cloth. The invention also discloses a preparation method of tin oxide modified carbon cloth lithium and sodium metal negative electrode. The substrate of the three-dimensional porous structure of the invention can increase the reaction area of the battery negative electrode and inhibit the dendrite formation; the porous structure can accommodate the deposition of lithium or sodium, slow down the volume change of lithium or sodium metal negative electrode during the charging and discharging cycle; the voltage distribution curve is more stable, and can be used for flexible energy storage devices.

【技术实现步骤摘要】
氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极及其制备方法
本专利技术属于锂及钠金属电池领域，具体是一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极及其制备方法。
技术介绍
锂及钠金属负极的能量密度分别为3862mAh/g和1166mAh/g，远大于锂离子电池及钠离子电池，这使得其成为下一代锂及钠硫和锂及钠空气电池最有前途的负极材料之一。锂及钠金属负极很容易与液态电解质生成不稳定的固态电解质膜，尤其在金属锂及金属钠反复充放电过程中造成离子通量不均匀，生成锂枝晶、钠枝晶，若枝晶断裂，则会脱离导电骨架形成无法再被使用的“死锂”、“死钠”，使电池库仑效率降低；枝晶若大量产生可能会刺穿隔膜导致电池的安全性能下降，限制了其在新型储能器件中的应用。设计并制备稳定的锂及钠金属负极显得至关重要。已有多种方案用来解决上述枝晶的问题，如申请号为201710177007.4的中国专利公开了“一种锂金属电池负极表面处理方法”，其主要通过在金属锂片表面形成一层2nm～200μm固态电解质保护层而减少锂源的损失，保持全电池的高库伦效率；又如申请号为201610259475.1的中国专利公开了“金属锂二次电池及其负极和多孔铜集流体”，其主要采用三维多孔铜集流体作为基底，金属锂吸附在空洞的表面及内部，可增加电极的比表面积降低电极的有效电流密度，从而抑制锂枝晶产生；然而铜价较高，该法的成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极及其制备方法。本专利技术制备方法可改善金属锂及钠的浸润性，使锂及钠快速地包覆在改性后的碳布基上；本专利技术制备的金属负极可抑制枝晶的产生，过电压小于纯金属锂和钠金属电极，循环稳定性能好。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极，包括作为基底的碳布、氧化锡、锂金属或钠金属；其中碳布、氧化锡、锂金属的质量比为1:0.048～0.065:1.2～1.8，碳布、氧化锡、钠金属的质量比为1:0.048～0.065:2.2～3.2。进一步地，所述碳布的孔洞尺寸范围为2～8μm。进一步地，所述氧化锡的尺寸范围为80～160nm。进一步地，柔性多孔的碳布作为支撑基底，氧化锡附着在碳布的表面，锂或钠金属吸附在氧化锡改性碳布基的表面及孔洞上。一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极的制备方法，包括以下步骤：1)碳布预处理：将碳布作为基底材料，进行清洗，热处理和再清洗；2)改性溶液配置：配置浓度为0.066～0.10g/mL的锡酸钠水溶液；3)将步骤1)中前处理后的碳布浸入步骤2)中的改性溶液中，超声并进行水浴反应；4)将步骤3)中水浴反应后的碳布清洗并干燥；5)将步骤4)中所得的碳布在空气中煅烧，冷却后得到氧化锡改性碳布基；6)在惰性气体下，加热金属锂或金属钠成熔融态，将步骤5)中得到的氧化锡改性碳布基接触熔融态的金属锂或金属钠，使得一定量的金属锂或金属钠吸附在氧化锡改性碳布基的表面和孔洞之中，冷却凝固后得到氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极。优选地，所述步骤1)中碳布在丙酮、乙醇、超纯水中分别超声清洗30～50min，之后用浓硝酸在110～130℃下热处理7～10小时，再用超纯水清洗干净。优选地，所述步骤3)中超声时间为15～30min，水浴反应温度为70～90℃，时间为1～2小时。优选地，所述步骤4)中碳布采用去离子水冲洗，并于70～90℃干燥。优选地，所述步骤5)中煅烧温度为400～600℃，煅烧时间为7～10h。优选地，所述步骤6)中的惰性气体为氩气，加热温度为200～350℃，冷却温度为0～20℃。本专利技术1)三维多孔结构的碳布基底可增大电池负极的反应面积，降低电极的有效电流密度，抑制枝晶的产生；2)多孔的氧化锡改性碳布基有较多的孔洞结构，增大了金属锂及金属钠的接触面积，使熔融的金属锂或金属钠可以更快地附着在氧化锡改性碳布基的表面及孔洞之中，且孔洞可容纳锂或钠的沉积，减少“死锂”的产生，减缓锂金属负极或钠金属负极在充放电循环过程中的体积变化；3)相比于纯金属锂/钠金属负极，循环稳定性能更好，电压分布曲线更平稳；4)可应用于柔性储能器件，应用于锂/钠金属电池后电池的安全性能高。附图说明图1为本专利技术氧化锡改性碳布的扫描电子显微图，其中图1a、图1b为不同的放大比例。图2为本专利技术氧化锡改性碳布基锂金属负极的扫描电子显微图，其中图2a、图2b为不同的放大比例。图3为本专利技术氧化锡改性碳布基钠金属负极的扫描电子显微图，其中图3a、图3b为不同的放大比例。图4为本专利技术氧化锡改性碳布基锂金属负极和纯锂金属负极在相同电流密度下的循环寿命曲线对比图。图5为本专利技术氧化锡改性碳布基钠金属负极和纯钠金属负极在相同电流密度下的循环寿命曲线对比图。具体实施方式下面结合附图和优选的具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，便于更清楚地了解本专利技术，但本专利技术不局限于下述具体实施方式。本专利技术一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极，柔性多孔的碳布作为支撑基底，氧化锡附着在碳布的表面，锂或钠金属吸附在氧化锡改性碳布基的表面及孔洞上，包括作为基底的碳布、氧化锡、锂金属或钠金属；其中碳布、氧化锡、锂金属的质量比为1:0.048～0.065:1.2～1.8，碳布、氧化锡、钠金属的质量比为1:0.048～0.065:2.2～3.2；其中碳布的孔洞尺寸范围为2～8μm；氧化锡的尺寸范围为80～160nm，氧化锡为纳米氧化锡；如图1a和图1b所示，碳布是一种纤维结构，纳米氧化锡均匀地覆于碳布表面，所得的氧化锡改性碳布基具有多孔三维结构，大大改善碳布的浸润性，同时可增加电极材料的导电性，另外，纳米氧化锡附着在碳布的表面增加更多的突起结构，增加了金属钠或金属锂与氧化锡改性碳布基之间的结合力，使电极材料的机械稳定性更好。一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极的制备方法，包括以下步骤：1)碳布预处理：将碳布作为基底材料，在丙酮、乙醇、超纯水中分别超声清洗30～50min，用浓硝酸在110～130℃下热处理7～10小时，用超纯水再次清洗；2)改性溶液配置：配置浓度为0.066～0.1g/mL的锡酸钠水溶液；3)将步骤1)中前处理后的碳布浸入步骤2)中的改性溶液中，超声15～30min并进行水浴反应；水浴反应温度为70～90℃，时间为1～2小时；4)将步骤3)中水浴反应后的碳布采用去离子水清洗并于70～90℃干燥；5)将步骤4)中所得的碳布在空气中煅烧，煅烧温度为400～600℃，煅烧时间为7～10h，冷却后得到氧化锡改性碳布基；6)在惰性气体氩气下，在温度为200～350℃加热金属锂或金属钠成熔融态，将步骤5)中得到的氧化锡改性碳布基接触熔融态的金属锂或金属钠，使得一定量的金属锂或金属钠吸附在氧化锡改性碳布基的表面和孔洞之中，在0～20℃下冷却凝固后得到氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极。实施例11)将碳布作为基底材料，在丙酮、乙醇、超纯水中分别超声清洗30min，干燥后浸入67％的浓硝酸中于110℃的油浴中加热搅拌热处理10小时，用超纯水再次清洗干净并干燥；2)改性溶液配置：将3.302g四水合锡酸钠溶于50ml去离子水中配置浓度为0.066g/mL的锡酸钠水溶液；3)将步骤1)中前处理后的碳布浸入步骤2)中的改性溶液中，超声30min，并在70℃下水浴反应2h；4)将步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极，其特征在于：包括作为基底的碳布、氧化锡、锂金属或钠金属；其中碳布、氧化锡、锂金属的质量比为1:0.048～0.065:1.2～1.8，碳布、氧化锡、钠金属的质量比为1:0.048～0.065:2.2～3.2。

【技术特征摘要】
1.一种氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极，其特征在于：包括作为基底的碳布、氧化锡、锂金属或钠金属；其中碳布、氧化锡、锂金属的质量比为1:0.048～0.065:1.2～1.8，碳布、氧化锡、钠金属的质量比为1:0.048～0.065:2.2～3.2。2.根据权利要求1所述的氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极，其特征在于：所述碳布的孔洞尺寸范围为2～8μm。3.根据权利要求1或2所述的氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极，其特征在于：所述氧化锡的尺寸范围为80～160nm。4.根据权利要求3所述的氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极，其特征在于：柔性多孔的碳布作为支撑基底，氧化锡附着在碳布的表面，锂或钠金属吸附在氧化锡改性碳布基的表面及孔洞上。5.一种如权利要求1、2或4所述的氧化锡改性碳布基锂及钠金属负极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)碳布预处理：将碳布作为基底材料，进行清洗，热处理和再清洗；2)改性溶液配置：配置浓度为0.066～0.10g/mL的锡酸钠水溶液；3)将步骤1)中前处理后的碳布浸入步骤2)中的改性溶液中，超声并进行水浴反应；4)将步骤3)中水浴反应后的碳布清洗并干燥；5)将步骤4)中所得的碳布在空气中煅烧，冷却后得到氧化锡改性碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钰旻，熊万晟，江云，夏宇，
申请(专利权)人：江汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42