一种高容量氮掺杂炭包覆SnO制造技术

本发明专利技术为一种高容量氮掺杂炭包覆SnO

【技术实现步骤摘要】
一种高容量氮掺杂炭包覆SnO
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量子点锂离子电池负极材料的制备方法


[0001]本专利技术隶属于储能材料领域，具体为发展了一种高容量氮掺杂炭包覆SnO
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(x＝0,1和2)量子点锂离子电池负极材料的制备方法。本专利技术采用聚二烯二甲基氯化铵溶液和聚对苯乙烯磺酸钠对二元氧化物前驱体锡酸锌进行修饰，通过静电吸附作用在前驱体表面诱导ZIF-8生长，从而实现对锡酸锌的均匀可控包覆。经过高温热解，前驱体裂解为SnO
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量子点并均匀分布在纳米炭网络中。该材料在低电流密度下循环后具有超高可逆比容量。这种炭包覆SnO
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量子点负极材料的新型制备方法为高比能量锡负极的应用奠定了基础。

技术介绍

[0002]电动汽车、混合动力汽车和许多电子设备的发展推动了高效储能装置的研究。锂离子电池因为具有能量密度高、自放电弱、循环寿命长等优点，成为近年来的研究热点。石墨是目前应用最广泛的锂离子电池负极材料，它具有化学性质稳定、充放电电位平台低、体积膨胀不明显等优点。但是，石墨的理论比容量较低，只有372mAh g-1
。作为一种极具发展潜力的储能材料，SnO2、SnO和Sn材料的理论比容量分别高达1494mAh g-1
、1231mAh g-1
和994mAh g-1
，远远高于石墨的理论比容量。然而锡基负极材料在充放电过程中会产生较大的体积膨胀，导致电极材料的粉化和脱落，限制了其在储能领域的应用。缓解活性材料充放电过程中体积膨胀最有效的方法是对其进行炭包覆。
[0003]目前，关于炭包覆锡基负极材料的制备主要是将大尺寸的锡基材料与石墨烯、碳纳米管等炭材料进行复合或将锡基材料负载到多孔炭基质中。例如，Liu等通过简单一步法制备了SnO2/石墨烯复合材料，该材料在0.05A g-1
的电流密度下循环90圈后的可逆比容量达到1280mAh g-1
。以上制备方法存在的问题是，锡基材料与炭基质通过简单混合的方式进行复合，活性物质和炭包覆层之间的联系不够紧密，无法实现对锡基材料的有效包覆和对活性物质体积膨胀的抑制。同时，炭包覆层无法有效促进充放电过程中锡基材料容量的全部释放。因此，开发新型炭包覆锡基负极材料的制备方法获得了研究者广泛关注。
[0004]缓解活性材料体积膨胀的另一方法是在制备过程对锡基材料的形貌进行控制，例如将其制备为中空纳米颗粒或纳米棒等，为充放电过程中的体积膨胀提供一定的缓冲空间，缓解活性材料的粉化和脱落。研究者发现，将活性材料制备成纳米级，不仅可以缓冲锡基材料在充放电过程中的体积膨胀，还可以实现SnO
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和Sn之间的可逆转换，进而提高材料的可逆比容量。Zhang等对碳纳米管进行表面修饰，并在管壁表面原位生长了SnO2/Sn纳米颗粒，所得材料在1A g-1
的电流密度下的可逆容量达到1059mAh g-1
。但是，上述制备方法存在的问题是纳米锡基材料在合成过程中由于其表面能较大，导致纳米颗粒的团聚，同时，团聚的纳米颗粒在包覆过程中不易分散，进而造成包覆不均匀。发展新方法抑制纳米锡的聚集生长同时获得高的可逆比容量是目前负极材料面临的挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的为针对目前锡基活性材料在充放电过程中会产生巨大的体积膨胀，造成活性物质的脱落，进而影响材料的电化学性能等问题，提供一种新型的具有高容量的氮掺杂炭包覆SnO
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量子点锂离子电池负极材料的制备方法。该方法以纳米尺寸的锡酸锌作为前驱体，经过聚二烯二甲基氯化铵溶液和聚对苯乙烯磺酸钠的修饰、后续的高温热解，使锡酸锌纳米颗粒裂解为直径小于5nm的SnO
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量子点，均匀的分布在由ZIF-8热解得到的炭网络结构中，最终得到氮掺杂炭包覆SnO
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量子点锂离子电池负极材料。本专利技术得到的复合材料在0.2A g-1
的电流密度下循环100圈后的可逆比容量达到1824mAh g-1
，远远高于SnO2的理论比容量。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种高容量氮掺杂炭包覆SnO
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量子点锂离子电池负极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0008](1)锡酸锌前驱体的制备：将结晶四氯化锡和氢氧化钠加入到蒸馏水中，搅拌至反应物溶解，形成澄清透明溶液；将七水合硫酸锌加入到上述澄清溶液中，在0～60℃下反应4～24h；反应结束后离心得到反应物，经洗涤、干燥后，得到锡酸锌前驱体；
[0009]其中，摩尔比为，四氯化锡：氢氧化钠：七水合硫酸锌＝1：4～12：1～2；每50毫升蒸馏水加入1～4mmol四氯化锡；
[0010](2)表面修饰：将上一步得到的产物先转移到聚二烯二甲基氯化铵水溶液中，搅拌10～60min，搅拌后离心回收粉末并用去离子水洗涤；将洗涤后的产物直接转移到聚对苯乙烯磺酸钠的水溶液中，搅拌10～60min，搅拌后离心回收粉末并用去离子水洗涤，得到由聚二烯二甲基氯化铵和聚对苯乙烯磺酸钠修饰后的锡酸锌前驱体；
[0011]其中，摩尔比为，四氯化锡：聚二烯二甲基氯化铵＝1：0.001～0.01，聚二烯二甲基氯化铵溶液的浓度范围在5～30μmol/L之间；四氯化锡：聚对苯乙烯磺酸钠＝1：0.001～0.01，聚对苯乙烯磺酸钠的浓度范围在5～30μmol/L之间；修饰后的锡酸锌前驱体的摩尔量为理论值，即步骤(1)中锡元素的摩尔量。
[0012](3)ZIF-8包覆：将由聚二烯二甲基氯化铵和聚对苯乙烯磺酸钠修饰的锡酸锌前驱体转移到容器中，然后加入甲醇，超声分散后，再依次加入硝酸锌和2-甲基咪唑，搅拌反应1～12h，反应结束后，离心回收产物，干燥得固体粉末；
[0013]其中，摩尔比为，修饰后的锡酸锌前驱体：硝酸锌＝1:1～10；硝酸锌和2-甲基咪唑的摩尔比为1:8；每1mmol修饰后的锡酸锌前驱体加入50～150mL甲醇；
[0014](4)煅烧：将(3)中得到的固体粉末在惰性气氛保护下600～1000℃进行热处理1～5小时后，得到高容量氮掺杂炭包覆SnO
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量子点锂离子电池负极材料；所述的SnO
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中，x为0,1和2，即为SnO2，SnO和Sn的混合物。
[0015]所述的方法制备的高容量氮掺杂炭包覆SnO
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量子点锂离子电池负极材料的应用，用作锂离子电池的负极极片；
[0016]包括以下步骤：将(4)中所得的电极材料与导电炭、粘结剂在质量比8:1:1的条件下均匀混合并加入去离子水，常温搅拌6～24h；搅拌结束后将所得悬浮液均匀涂覆在铜箔上，并在80～120℃下真空干燥5～20h，得到锂离子电池的负极极片。
[0017]本专利技术的实质性特点为：
[0018]前期的论文报道中，研究者一般直接对前驱体进行包覆，该种包覆方式会造成包覆不均匀的问题。本专利技术则先对锡酸锌前驱体进行修饰，使其表面带负电，通过同种电荷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高容量氮掺杂炭包覆SnO
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量子点锂离子电池负极材料的制备方法，其特征为该方法包括如下步骤：(1)锡酸锌前驱体的制备：将结晶四氯化锡和氢氧化钠加入到蒸馏水中，搅拌至反应物溶解，形成澄清透明溶液；将七水合硫酸锌加入到上述澄清溶液中，在0～60℃下反应4～24h；反应结束后离心得到反应物，经洗涤、干燥后，得到锡酸锌前驱体；其中，摩尔比为，四氯化锡：氢氧化钠：七水合硫酸锌＝1：4～12：1～2；每50毫升蒸馏水加入1～4mmol四氯化锡；(2)表面修饰：将上一步得到的产物先转移到聚二烯二甲基氯化铵水溶液中，搅拌10～60min，搅拌后离心回收粉末并用去离子水洗涤；将洗涤后的产物直接转移到聚对苯乙烯磺酸钠的水溶液中，搅拌10～60min，搅拌后离心回收粉末并用去离子水洗涤，得到由聚二烯二甲基氯化铵和聚对苯乙烯磺酸钠修饰后的锡酸锌前驱体；其中，摩尔比为，四氯化锡：聚二烯二甲基氯化铵＝1：0.001～0.01，四氯化锡：聚对苯乙烯磺酸钠＝1：0.001～0.01；(3)ZIF-8包覆：将由聚二烯二甲基氯化铵和聚对苯乙烯磺酸钠修饰的锡酸锌前驱体转移到容器中，然后加入甲醇，超声分散后，再依次加入硝酸锌和2-甲基咪唑，搅拌反应1～12h，反应结束后，离心回收产物，干燥得固体粉末；其中，摩尔比为，修饰后的锡酸锌前驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：程菲，张亚楠，叶幼文，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：