一种新型SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种新型SnO2‑石墨烯纳米复合材料的制备方法。利用水热法构建石墨烯纳米复合材料，并利用缺氧环境高温热处理的方法向SnO2纳米晶体中引入空位缺陷。由此得到的新型纳米复合材料被测得具有优越的充放电速率与循环稳定性，可用于常温钠离子电池负极。

Preparation of a Novel SnO_2-graphene Anode Material for Normal Temperature Sodium Ion Batteries

【技术实现步骤摘要】
一种新型SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料的制备方法
本专利技术属于纳米领域，应用于纳米材料储能科学领域，介绍了新型SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料的制备方法。
技术介绍
改革开放以来，我国电池市场逐渐扩大，电池行业逐渐发展。而传统电池因其对环境的严重污染成为了我国电池行业发展的一大痛点。而更为先进的电池正处萌芽期，技术还是稚嫩。在此时期，锂离子电池因其具有较高的能量密度、优秀的充放电性能以及良好的使用寿命，以及较为简单的制造技术，在电池领域迅速发展起来，并向民用手机、汽车市场甚至军工市场发展。而过度的发展导致了锂金属的供不应求，市场急需寻求新的替代物。这个时候，来源更广泛且价格低廉的与锂性质相近的纳金属被人们发现。但因为钠离子电池负极材料所需充放电速率极高且循环寿命要求也极高，市场中现有的负极材料难以满足钠离子电池的高要求，所以钠离子电池领域也未能有所质的突破。为提高电极材料循环稳定性与充放电速率，材料纳米化与构建复合材料被相关领域从事者公认的极其有效的方法。其次，在国内外的研究人员大量研究的引导下，我们将目光移向了具有安全性好、稳定性高、寿命长、比容量高等优点的SnO2新型负极材料。并通过前文所提材料纳米化与构建复合材料的方法解决SnO2充放电体积膨胀、循环性较差等问题。事实证明，通过构建复合材料的方法确实大幅度提升了SnO2电极材料的储钠循环寿命，但即便是将SnO2颗粒减小到了纳米级别，充放电速率慢、倍率性能差的问题仍然不能特别有效地解决，阻碍着该类材料的发展与市场应用拓展。
技术实现思路
本专利技术介绍了一种新型SnO2-石墨烯纳米复合材料的制备方法。我们利用水热法构建石墨烯纳米复合材料，并利用缺氧环境高温热处理的方法向SnO2纳米晶体中引入空位缺陷。由此得到的新型纳米复合材料被测得具有优越的充放电速率与循环稳定性，可用于常温钠离子电池负极。为了解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案得以解决：该新型复合材料由以下方法步骤制得：步骤(1)、将200～300mgSnSO4·5H2O溶解到15ml纯水中，搅拌均匀；滴加2mg/ml的氧化石墨烯水溶液6-10ml于四氯化锡溶液中。将所得溶液在室温下放于超声波洗池中震荡20～30min，得到了黄褐色的透明澄清溶液。其中，SnSO4与氧化石墨烯的质量比为(74.3-222.9):(10-20)。步骤(2)、将所得溶液密封放置于50ml水热反应釜中。在140-150℃下保温20-24h。步骤(3)、将所得溶液进行离心分离(6000～6500rpm,8～10min),取沉淀物与烘箱中，在70-80℃真空干燥14-15h。步骤(4)、将干燥后的粉末放于气氛保护管式炉中，通入还原性气体，控制气体流速在600-800ml/min,在400-600℃下回火处理3～5小时，得到了所需的含氧空位缺陷SnO2-石墨烯纳米复合材料备注：气氛保护管式炉中通入的还原性气体为含有3-8vol.％H2的Ar/H2混合气。将上述制得的新型SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料制成负极电极，以钠金属为正极制得钠离子电池并进行相关的电性能测试。本专利技术所提供的电极制备方法如下述：利用上述制得的负极材料样品与PVDF和SuperP炭黑按质量比为75:10:15混合，用N-甲基吡咯烷酮将混合物调至粘稠状并涂于铜箔的表面。将混合物放于真空中干燥，切下半径为7.5mm的铜箔涂层圆片作为钠离子电池的电极。其中该钠离子电池使用的是NaClO4浓度为1mol/L，EC:PC＝1:1的电解液和金属钠箔片作为对电极。接下来，利用电流密度为40mA/g，充放电电位为0.05-3V的恒电流，用充放电法进行钠离子电池的老化测试，执行循环350次；利用电流密度为40mA/g，充放电电位从0.05-3V的恒电流，用充放电法测试电池的容量，执行循环50次；利用电流密度分别为40,100,240,600,1200mA/g，充放电电位从0.05-3V的电流测试电池的倍率性能，每组电流密度执行循环10次。本专利技术具有以下的特点：本专利技术介绍了新型SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料及其制备方法。我们利用水热法构建纳米复合材料，并利用SnO2缺陷空位易引入纳离子的性质，在缺氧环境高温热处理下，向SnO2纳米晶体中引入空位缺陷。由此得到的新型纳米复合材料具有容量大、倍率性能好、循环性能好、使用寿命长等特点，并在实验中被测得有优越的充放电速率与循环稳定性，解决了SnO2单一负极材料的众多问题。附图说明图1为样品的扫描电镜(SEM)图：(a)实验1SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料,(b)对比例。图2为样品的透射电镜(TEM)图：(a)实验1SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料,(b)对比例；图3为本专利技术制备的SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料及对比例的X射线衍射(XRD)图谱；图4为本专利技术制备的SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料及对比例的X射线光电子能谱(XPS)图谱；图5为本专利技术制备的SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料及对比例作钠离子电池负极时的比能量密度—循环次数图谱；图6为本专利技术制备的SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料及对比例作钠离子电池负极时的倍率性能图谱；图7为本专利技术制备的SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料作钠离子电池负极时的性能老化测试图谱。具体实施方式接下来通过具体的实验对本专利技术作更详细的说明。实验1、SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料的制备。A.SnO2-石墨烯纳米复合材料的合成：将15ml纯水中加入到250mgSnSO4·5H2O使之溶解，用玻璃棒搅拌均匀；将所得四氯化锡溶液与浓度为2mg/ml的8ml氧化石墨烯水溶液混合。并在室温下利用超声波洗池震荡半个小时使之混合均匀，得到黄褐色透明澄清溶液。将所得溶液密封放置于50ml水热釜中，在150℃下保温24小时。保温结束后，将所得溶液在6500rpm下进行离心分离十分钟，得沉淀物放于60℃烘箱中18h进行干燥。B.回火处理：将获得的干燥粉末置于气氛保护管式炉中，通入含有3vol.％H2的H2/Ar还原性保护气体，控制气体流速在在600ml/min。在400℃下处理五个小时，便于引入氧空位缺陷。实验2、未引入氧空位缺陷SnO2-石墨烯纳米复合材料的制备。A.SnO2-石墨烯纳米复合材料的合成：将200mgSnSO4·5H2O溶解到15ml纯水中，搅拌均匀；取8ml浓度为2mg/ml的氧化石墨烯水溶液，缓慢滴加到SnSO4溶液中，在25℃室温下置于超声波洗池中震荡30min，获得黄褐色的透明澄清溶液。获得的溶液封装于50ml水热反应釜中，加热至150℃，保温24h。将水热处理后的溶液进行离心分离(6500rpm,10min),倾去上层清液体后将所得沉淀物置于烘箱中，60℃真空干燥18h。B.回火处理：将获得的干燥粉末置于气氛保护管式炉中，在400℃下进行回火处理，同时通入高纯氩气，气体流速控制在600ml/min,处理时间为3小时。可以观察到，制备的新型SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料具有典型的石墨烯类纳米复合材料的微观形貌结构(图1(a))，层片状结构为石墨烯组分，而纳米颗粒物为SnO2颗粒。与对比例(图1(b))相比较，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型SnO2‑石墨烯常温钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)、将200～300mg SnSO4·5H2O溶解到15ml纯水中，搅拌均匀；滴加2mg/ml的氧化石墨烯水溶液6‑10ml于四氯化锡溶液中；将所得溶液在室温下放于超声波洗池中震荡20～30min，得到了黄褐色的透明澄清溶液；步骤(2)、将所得溶液密封放置于50ml水热反应釜中；在140‑150℃下保温20‑24h；步骤(3)、将所得溶液进行离心分离,取沉淀物与烘箱中，在70‑80℃真空干燥14‑15h；步骤(4)、将干燥后的粉末放于气氛保护管式炉中，通入还原性气体，控制气体流速在600‑800ml/min,在400‑600℃下回火处理3～5小时，得到了所需的含氧空位缺陷SnO2‑石墨烯纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种新型SnO2-石墨烯常温钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)、将200～300mgSnSO4·5H2O溶解到15ml纯水中，搅拌均匀；滴加2mg/ml的氧化石墨烯水溶液6-10ml于四氯化锡溶液中；将所得溶液在室温下放于超声波洗池中震荡20～30min，得到了黄褐色的透明澄清溶液；步骤(2)、将所得溶液密封放置于50ml水热反应釜中；在140-150℃下保温20-24h；步骤(3)、将所得溶液进行离心分离,取沉淀物与烘箱中，在70-80℃真空干燥14-15h；步骤(4)、将干燥后的粉末放于气氛保护管式炉中，通入还原性气体，控制气体流速在600-800ml/min...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭家瑞，陆潇晓，泮思赟，倪婧，程秋瞳，童林聪，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33