三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极及其一步制备法制造技术

本发明专利技术提供了三维微纳米复合多孔铁锡

【技术实现步骤摘要】
三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极及其一步制备法


[0001]本专利技术属于锂离子电池负极领域，涉及三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极及其一步制备法。

技术介绍

[0002]21世纪以来，随着电子科技的不断进步及绿色能源产业的不断发展，便携式移动设备、电动汽车、混合动力汽车以及智能电网存储设备等对电池性能要求的日益增长，市场对高比能、长寿命和安全性好的电池需求愈加迫切。锂离子电池具有开路电压高、能量密度高以及寿命长等优点，被认为是下一代动力电池的首选。锂离子电池的性能主要取决于正极、负极材料，因此，研发高性能的电极材料是提升锂离子电池性能的关键。
[0003]在过去四十年中，石墨是商业用可再充电锂离子电池中最常见的阳极材料，但其存在理论比容量低、首次库伦效率低，有机溶剂共嵌入等不足，难以满足现今对高比能量电池的需要。因此，研发具有综合性能良好的可替代负极材料迫在眉睫。锡及锡基负极材料作为锂离子电池负极材料具有较高的理论比容量、导电性良好等特点，引起了研究者的广泛关注。Li
4.4
Sn的质量比容量为994mAh g-1
，比工业石墨大三倍，锡的体积比容量也高达7200mAh cm-3
，同时，锡负极对锂电极具有很高的反应活性，在充放电过程中不会与溶剂共嵌入。虽然锡具有以上优势，但锡合金作为锂离子电池的负极材料时，在锂离子脱嵌的过程中，会发生巨大的体积变化，产生较大内应力，导致锡从基体材料上粉化剥落，进而造成电极迅速失效，这大大限制了锡作为锂离子电池负极材料的推广应用。如何有效缓解锡负极材料在循环嵌脱锂过程中产生的巨大体积变化，获得电化学性能良好、长期稳定的电极结构成为了将锡基材料作为锂离子电池负极研究的关键途径之一。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极及其一步制备法，以缓解锡负极材料在循环嵌脱锂过程中产生的巨大体积变化，提高锂离子电池锡负极的循环性能和比容量。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极，由铁锡化合物和铁锡氮化合物组成，所述铁锡化合物为单独的FeSn，或者为FeSn和FeSn2，所述铁锡氮化合物为Fe3SnN，该锂离子电池负极具有双连续、开孔式三维微米-纳米复合分级孔结构，纳米孔结构分布在由铁锡化合物和铁锡氮化合物共同构成的三维微米多孔骨架上。
[0007]上述一体化锂离子电池负极的技术方案中，该锂离子电池负极中的微米孔结构的尺寸优选为5～60μm。
[0008]上述一体化锂离子电池负极的技术方案中，该锂离子电池中的纳米孔结构的尺寸优选为50～800nm。
[0009]上述一体化锂离子电池负极，是由铁锡合金经腐蚀液腐蚀形成的，腐蚀液由氢氟酸和硝酸组成，该锂离子电池负极中的铁锡化合物由铁锡合金片中的富锡相及富铁相发生部分溶解后，剩余的锡元素与铁元素自组装形成，该锂离子电池负极中的铁锡氮化合物由铁锡合金片中的铁锡化合物以及自组装形成的铁锡化合物被腐蚀液中的硝酸部分氧化形成，该锂离子电池负极中的微米孔结构和纳米孔结构是铁锡化合物中的铁以及锡被腐蚀后形成的。
[0010]上述一体化锂离子电池负极的技术方案中，根据铁锡化合物组成的不同，一体化锂离子电池负极可以分为两种类型，第一种是三维微纳米复合多孔FeSn-Fe3SnN一体化锂离子电池负极，第二种是三维微纳米复合多孔FeSn/FeSn
2-Fe3SnN一体化锂离子电池负极，这两种类型的锂离子电池负极在比容量和循环性能方面分别具有各自突出的特点。
[0011]由于原料成分的差异，第一种类型的锂离子电池负极的Fe3SnN相对含量要高于第二种，第一种类型的锂离子电池负极在比容量方面具有突出的优势，采用第一种类型的锂离子电池负极组装成锂离子电池，在充放电电流密度为1mAcm-2
的条件下进行测试，在循环30次后，电极仍具有高达14.53mAh cm-2
的可逆比容量，在比容量方面相对于现有锡基锂离子电池负极具有非常明显的优势，该类型的锂离子电池负极尤其适用于对比容量要求较高的场合。第二种类型的锂离子电池负极在循环性能方面具有更明显的优势，采用第二种类型的锂离子电池负极组装成锂离子电池，在充放电电流密度为1mAcm-2
的条件下进行测试，循环100次后的容量仍然保持稳定，库伦效率稳定在95％以上，具有良好的循环性能，同时在不同的倍率下也具有非常好的容量保持率，在经过倍率测试后依旧保持了很好的容量稳定性，该类型的锂离子电池负极尤其适用于对比容量要求相对较低，但对循环性能要求较高的场合。
[0012]本专利技术还提供了上述一体化锂离子电池负极的一步制备法，该方法的操作如下：
[0013]将铁锡合金片打磨抛光，洗涤、烘干，置于由氢氟酸和硝酸组成的腐蚀液中进行腐蚀，控制腐蚀温度为25～35℃、腐蚀时间为1～8h，在腐蚀过程中，铁锡合金片中的富锡相及富铁相发生部分溶解，部分溶解后剩余的锡元素与铁元素自组装形成铁锡化合物，所述铁锡化合物为单独的FeSn，或者为FeSn和FeSn2，铁锡合金片中的铁锡化合物以及自组装形成的铁锡化合物被腐蚀液中的硝酸部分氧化形成Fe3SnN，得到三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极，将所得锂离子电池负极用水和乙醇洗涤；
[0014]所述腐蚀液中，氢氟酸的浓度为1wt.％～5wt.％，硝酸浓度为1wt.％～5wt.％；铁锡合金片中铁与锡的原子百分比为(100-X):X，其中，X为20～80。
[0015]上述一体化锂离子电池负极的一步制备法中，当铁锡合金的组成不同时，在腐蚀液腐蚀过程中可得到不同的铁锡化合物。当20≤X≤55时，在腐蚀过程中形成的铁锡化合物为FeSn，铁锡氮化合物为Fe3SnN，得到的锂离子电池负极为三维微纳米复合多孔FeSn-Fe3SnN一体化锂离子电池负极；当55＜X≤80时，在腐蚀过程中形成的铁锡化合物为FeSn和FeSn2，铁锡氮化合物为Fe3SnN，得到的锂离子电池负极为三维微纳米复合多孔FeSn/FeSn
2-Fe3SnN一体化锂离子电池负极。
[0016]上述一体化锂离子电池负极的一步制备法中，腐蚀液中氢氟酸的浓度优选为3wt.％～5wt.％，硝酸浓度优选为1wt.％～3wt.％，在满足该浓度范围的基础上，腐蚀液中氢氟酸的浓度最好是大于硝酸的浓度。
cm-2
的可逆比容量，具有高的比容量和良好的可逆容量保持率。采用本专利技术提供的三维微纳米复合多孔FeSn/FeSn
2-Fe3SnN一体化锂离子电池负极组装成锂离子电池，在充放电电流密度为1mA cm-2
的条件下循环100次后的容量仍然保持稳定，库伦效率稳定在95％以上，具有良好的循环性能，同时在不同的倍率下也具有非常好的容量保持率，在经过倍率测试后依旧保持了很好本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极，其特征在于，该锂离子电池负极由铁锡化合物和铁锡氮化合物组成，所述铁锡化合物为单独的FeSn，或者为FeSn和FeSn2，所述铁锡氮化合物为Fe3SnN，该锂离子电池负极具有双连续、开孔式三维微米-纳米复合分级孔结构，纳米孔结构分布在由铁锡化合物和铁锡氮化合物共同构成的三维微米多孔骨架上。2.根据权利要求1所述三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极，其特征在于，该锂离子电池负极中的微米孔结构的尺寸为5～60μm。3.根据权利要求1或2所述三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极，其特征在于，该锂离子电池中的纳米孔结构的尺寸为50～800nm。4.权利要求1至3中任一权利要求所述三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极的一步制备法，其特征在于：将铁锡合金片打磨抛光，洗涤、烘干，置于由氢氟酸和硝酸组成的腐蚀液中进行腐蚀，控制腐蚀温度为25～35℃、腐蚀时间为1～8h，在腐蚀过程中，铁锡合金片中的富锡相及富铁相发生部分溶解，部分溶解后剩余的锡元素与铁元素自组装形成铁锡化合物，所述铁锡化合物为单独的FeSn，或者为FeSn和FeSn2，铁锡合金片中的铁锡化合物以及自组装形成的铁锡化合物被腐蚀液中的硝酸部分氧化形成Fe3SnN，得到三维微纳米复合多孔铁锡-铁锡氮化合物一体化锂离子电池负极，将所得锂离子电池负极用水和乙醇洗涤；所述腐蚀液中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文博，饶雪兰，向鹏，颜家振，李宁，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：