一种多级纳米Sn基材料及其制备方法技术

一种多级纳米Sn基材料及其制备方法，其中：多级纳米Sn基材料具体为SnS2‑SnO2复合材料，其具有纳米棒‑纳米颗粒多级结构，纳米颗粒尺寸为10‑20nm，纳米棒长度为120‑150nm，粒径为15‑18nm。本发明专利技术还提供上述Sn基材料的制备方法，其是一种以有机硫源作为Sn源硫化处理的原料，采用共沉淀‑水浴法制备纳米棒‑纳米颗粒多级结构的SnS2‑SnO2复合材料的方法。本发明专利技术以有机硫源作为硫化处理的原料，能减少副反应的发生；采用共沉淀‑水浴法能实现无模板制备多级纳米结构的Sn基材料，降低制备成本，制备的纳米棒‑纳米颗粒状多级结构Sn基材料，可有效缓解材料在锂离子脱/嵌过程中存在的体积膨胀问题，缩短Li

A Multistage Nano-Sn Matrix Material and Its Preparation Method

A multistage nano-Sn-based material and its preparation method are described. The multistage nano-Sn-based material is specifically SnS2 SnO2 composite material, which has multistage structure of nanorods and nanoparticles. The size of nanoparticles is 10 20 nm, the length of nanorods is 120 150 nm, and the particle size is 15 18 nm. The invention also provides a preparation method of the Sn-based material, which is a method for preparing SnS2 SnO2 composite with multi-stage structure of nanorods and nanoparticles by coprecipitation and water bath using organic sulfur source as the raw material of sulfurization treatment of Sn source. The invention uses organic sulfur source as raw material for sulfurization treatment, which can reduce the occurrence of side reactions; the template-free Sn-based material can be prepared by coprecipitation and water bath method, and the preparation cost can be reduced. The prepared nanorod-nano-granular Sn-based material with multi-level structure can effectively alleviate the material deionization/intercalation process in lithium ion. The existing volume expansion problem, shorten Li

【技术实现步骤摘要】
一种多级纳米Sn基材料及其制备方法
本专利技术涉及一种多级纳米Sn基材料及其制备方法，具体涉及一种纳米棒、纳米颗粒多形貌SnS2锂离子电池负极材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料
技术背景二硫化锡(SnS2)因其独特的CdI2型层状结构及较高的理论比容量(648mAh/g)而备受关注，然而，其在应用过程中也存在一些问题：首次不可逆容量大、嵌锂时会存在较大的体积效应(体积膨胀率300％)、循环过程中容易团聚等。近年来，二氧化锡(SnO2)负极材料具有优越的循环性能而受到极大关注，其理论容量(783mAh/g)已经达到了商业化石墨负极材料的两倍。然而，现有SnO2和单质负极材料都在电化学过程中无法克服体积膨胀的应用瓶颈，锂离子电池的循环稳定性难以满足实际应用需求。因此，如何开发新的高循环稳定性，高容量的Sn基锂电负极材料具有重要意义。研究表明，通过制备多形貌的Sn基复合材料，可以有效抑制Sn基颗粒的团聚，颗粒越小、比表面积越大，则材料与电解液的接触越好，Li+的迁移距离也会变短，这样更有利于锂离子电池负极材料循环性能的提升，同时还能缓解嵌锂时的体积效应，提高Sn基材料的电化学稳定性。CN201610048730公开一种SnS2-SnO2纳米片状钠离子电池负极复合材料及其制备方法，其报到了以NaS·9H2O为硫源，采用微波水热-水浴法制备了纳米片状SnS2/SnO2复合材料，将其用于钠离子电池负极，在100mA/g的电流密度下，其首次放电容量可达到1188.1036mAh/g，在800mA/g的电流密度下容量可保持在145mAh/g，库伦效率高于99％。但该文件中采用的NaS·9H2O无机硫源水溶液在与Sn源溶液反应过程中因较快的S2-的释放速率容易产生团聚，影响晶粒的结晶性和强度，导致材料在高能量条件下出现融化，减小与电解液的接触面积。从该文件制备的纳米片状SnS2/SnO2复合材料的SEM图中可以看出纳米片边缘出现熔融状态，团聚现象较明显，影响SnS2/SnO2复合材料与电解液的接触面积，且在锂离子电池充/放电过程中易出现材料粉化和从集流体脱落的情况，从而使锂离子电池的容量快速衰减，甚至出现跳水现象。此外，目前报道的一维纳米材料如纳米棒、纳米管、纳米线等这些特殊的结构在电化学性能等方面会产生一些新颖的特点。Chen等制备的多级结构SnS2/SnO2/C复合材料在1C的电流密度下仍能保持550.8mAh/g的容量；Ren等制备的纳米花状SnS2负极材料在1000mA/g的电流密度下循环500次仍能保持818.4mAh/g的容量。因此需要寻找一种可制备多级纳米结构Sn基材料的简单的方法。目前Sn基复合材料的制备方法，如：水热法、溶剂热法、离子热合成法、固相法等都需要加入不同的模板剂或极性溶液才可控制材料的形貌结构，这在一定程度上增加了制备成本，也存在安全隐患。针对目前制备Sn基材料方法存在的不足及Sn基材料作为负极材料时在锂离子电池循环过程中出现的体积效应大、电化学循环性能及倍率性能差等问题，拟提供一种采用共沉淀-水浴法来制备纳米颗粒-纳米棒多级结构SnS2-SnO2复合材料的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种电化学性能良好的多级纳米Sn基材料及其制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：提供一种多级纳米Sn基材料，其具体为SnS2-SnO2复合材料，其具有纳米棒-纳米颗粒多级结构，纳米颗粒尺寸为10-20nm，纳米棒长度为120-150nm，粒径为15-18nm。本专利技术还提供上述多级纳米Sn基材料的制备方法，其具体是一种以有机硫源作为Sn源硫化处理的原料，并采用共沉淀-水浴法制备纳米棒-纳米颗粒多级结构的SnS2-SnO2复合材料的方法。进一步地，所述方法，具体包括如下步骤：S1、将Sn源溶于去离子水中，配制成浓度为0.4～2.0mol/L的溶液A，磁力搅拌条件下向配制好的A溶液中缓慢加入浓度为0.1-0.8mol/L的弱碱性溶液，使溶液中出现白色沉淀，同时调节溶液的pH＝6-8，形成溶液B；S2、将B溶液进行抽液分离，收集滤纸上的白色沉淀，先用去离子水离心洗涤2-3次，再用无水乙醇离心洗涤2-3次，干燥后得前驱物，将前驱物置于马弗炉中煅烧，得到尺寸为10-20nm的纳米颗粒状SnO2粉体；S3、将步骤S2得到的纳米颗粒状SnO2作为Sn源材料并溶解于0.01-0.1mol/L的碱性钾溶液中，配制成浓度为0.4～2.0mol/L的溶液C，将有机硫源溶解于去离子水中配制成浓度为0.1～2.4mol/L的溶液D；S4、将C、D两种溶液按照元素摩尔比nSn:nS＝1:(2.2～3.5)的比例混合，磁力搅拌形成均匀稳定的混合溶液E；S5、将E溶液放入水浴反应锅中，对水浴反应锅封盖，保证水浴环境温度为恒温，控制磁力搅拌转速为180-200r/min，反应温度为70～100℃，反应15min～2.5h后关闭水浴锅电源，取出前驱溶液；S6、将前驱溶液放入离心机离心3-5min，得到黄褐色沉淀，将沉淀先用去离子水洗涤2-3次，再用无水乙醇离心洗涤2-3次，得到黄褐色前驱体，冷冻干燥得到最终的SnS2-SnO2复合产物。进一步地，步骤S1中的弱碱性溶液为NaOH、KOH溶液。进一步地，步骤S1中的的Sn源为SnCl4·5H2O。进一步地，步骤S2中，干燥温度为60～80℃，干燥时间为1～3h。进一步地，步骤S2中，煅烧温度为500-600℃，煅烧时间为1-3h。进一步地，步骤S3中的有机硫源为硫代乙酰胺、硫脲中的至少一种。进一步地，步骤S4的搅拌时间为5～30min，搅拌温度为25-30℃。进一步地，步骤S6中将黄褐色前驱体放入冷冻干燥箱内冷冻干燥，控制冷冻干燥箱温度为25-30℃，干燥20-24h。本专利技术的有益效果：1、本专利技术以有机硫源(硫代乙酰胺、硫脲)作为硫化处理的原料，较缓慢的S2-释放速率可以与Sn源逐步完全反应，减少副反应的发生。2、本专利技术是针对目前制备Sn基材料方法存在的不足及Sn基材料作为负极材料时在锂离子电池循环过程中出现的体积效应大、电化学循环性能及倍率性能差等问题提出。本专利技术采用共沉淀-水浴法制备纳米结构Sn基锂离子电池负极材料，能实现无模板制备多级纳米结构的Sn基材料，降低SnS2-SnO2复合材料的制备成本，制备的纳米棒-纳米颗粒状多级结构Sn基材料，可有效缓解材料在锂离子脱/嵌过程中存在的体积膨胀问题，缩短Li+的扩散路径，增加材料与电解液的接触面积，提高锂离子电池的电化学性能。其中，共沉淀法可通过化学反应，在无模板条件下直接得到化学成分均一的纳米粉体材料(SnO2纳米颗粒前驱体)，同时，所制备的纳米粉体粒度小且分布均匀；而水浴法是以水为热传递介质，可在低温较短的时间内通过硫化作用合成目标产物(纳米棒-纳米颗粒多级结构的Sn材料)，具有加热均匀，制备温度低，周期短，成本低等优点。采用本专利技术制备的纳米颗粒-纳米棒多级结构SnS2-SnO2复合材料能有效地解决Sn基材料在锂离子电池循环过程中的体积效应大等问题，在锂离子电池中表现出较好的循环性能。3、本专利技术制备的SnS2-SnO2产物具有纳米棒-纳米颗粒多级结构，纳米颗粒尺寸为10-20nm，纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级纳米Sn基材料，其特征在于，其具体为SnS2‑SnO2复合材料，其具有纳米棒‑纳米颗粒多级结构，纳米颗粒尺寸为10‑20nm，纳米棒长度为120‑150nm，粒径为15‑18nm。

【技术特征摘要】
1.一种多级纳米Sn基材料，其特征在于，其具体为SnS2-SnO2复合材料，其具有纳米棒-纳米颗粒多级结构，纳米颗粒尺寸为10-20nm，纳米棒长度为120-150nm，粒径为15-18nm。2.一种多级纳米Sn基材料的制备方法，其特征在于，其是一种以有机硫源作为Sn源硫化处理的原料，并采用共沉淀-水浴法制备纳米棒-纳米颗粒多级结构的SnS2-SnO2复合材料的方法。3.根据权利要求2所述的一种多级纳米Sn基材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：S1、将Sn源溶于去离子水中，配制成浓度为0.4～2.0mol/L的溶液A，磁力搅拌条件下向配制好的A溶液中缓慢加入浓度为0.1～0.8mol/L的弱碱性溶液，使溶液中出现白色沉淀，同时调节溶液的pH＝6-8，形成溶液B；S2、将B溶液进行抽液分离，收集滤纸上的白色沉淀，先采用去离子水将白色沉淀洗涤2～3次，再用无水乙醇离心洗涤2-3次，干燥后得前驱物，将前驱物置于马弗炉中煅烧，得到尺寸为10-20nm的纳米颗粒状SnO2粉体；S3、将步骤S2得到的纳米颗粒状SnO2作为Sn源材料并溶解于0.01～0.1mol/L的碱性钾溶液中，配制成浓度为0.4～2.0mol/L的溶液C，将有机硫源溶解于去离子水中配制成浓度为0.1～2.4mol/L的溶液D；S4、将C、D两种溶液按照元素摩尔比nSn:nS＝1:(2.2～3.5)的比例混合，磁力搅拌形成均匀稳定的混合溶液E；S5、将E溶液放入水浴反应锅中，对水浴反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋海霞，柴思敏，陈民，林琳，易四勇，
申请(专利权)人：桑顿新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43