一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备及应用，包括如下步骤：S1、将锡源与碳源包覆剂混合；S2、加入沉淀剂使锡沉淀；S3、将所得沉淀在可控气氛下进行煅烧，获得碳包覆SnO2纳米颗粒。本发明专利技术旨在将SnO2进行碳包覆，缓解其在充放电过程中的不利影响，提高循环寿命。该方案具有以下优势：简单高效的改变SnO2原有的性质，成本较低，可快速大规模制备碳包覆SnO2材料；提高了材料的导电性，有效的抑制了SnO2材料在充放电过程中的膨胀，提高了锂离子电池的寿命；碳层厚度可调，可根据碳源包覆剂的含量来调节碳层的厚度；可以通过此方法快速制备大量SnO2纳米颗粒。纳米颗粒。纳米颗粒。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备及应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备及应用。

技术介绍

[0002]SnO2是一种低成本的材料，在近年来由于其高的理论电容量(790mAh/g)以及低的放电电压(低于0.5V)，被认为是一种高效的锂离子电池负极材料。虽然，锡基材料具有较高的理论容量一直是锂离子电池理想的负极材料，然而锡基材料会在脱嵌锂的过程中发生严重的体积膨胀，经过几十次循环后，就会因为体积膨胀造成电极的粉化、剥落等问题，进而导致电池性能急剧下降。SnO2纳米颗粒在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜。伴随着材料结构的破坏，内部活性材料不断暴露出新的表面，进而不断形成新的SEI膜，加剧了电解液的消耗和电池的循环寿命的衰减。
[0003]因此，本专利技术具有高比表面和弹性碳壳层以防止SnO2纳米颗粒在充放电过程中发生过渡的体积膨胀，增加电池寿命，具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的旨在针对现有技术的不足，提供一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备及应用。针对电极材料粉化导致的电解液消耗增加，电池寿命衰减等问题，本专利技术提出了一种直接制备碳包覆SnO2的方法，具有均匀的核壳结构，得到了同时具有高容量和高稳定性且简单、可快速制备的的锂离子电池负极材料。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：
[0007]S1、在特定温度下将锡源与碳源包覆剂混合一定时间；
[0008]S2、加入沉淀剂，反应一定时间，调节pH至一定范围，得到沉淀中间体；
[0009]S3、将所得沉淀在可控气体氛围下进行高温煅烧，获得碳包覆SnO2纳米颗粒。
[0010]如上所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，所述步骤S1中的锡源为四氯化锡或者是二氯化锡。
[0011]如上所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，所述步骤S1中的碳源包覆剂选分子量为145000～205000的聚乙烯醇或者羟乙基纤维素的非离子表面活性剂。优选的，所述步骤S1中的碳源包覆剂为聚乙烯醇，分子量为180000～205000。优选的，所述步骤S1中的碳源包覆剂为羟乙基纤维素时，优选加入环氧树脂形成凝胶。本专利技术中，聚乙烯醇的英文化学名为polyvinyl alcohol，或被简称为PVA。
[0012]优选的，锡源和碳源包覆剂的质量比为4.25～8.5。如果锡源和碳源包覆剂的质量比小于4.25，碳的充放电容量比二氧化锡的充放电容量小，最终导致充放电容量降低；如果锡源和碳源包覆剂的质量比大于8.5，当碳源包覆剂优选为聚乙烯醇时，聚乙烯醇提供的限域效应会不足，导致生成的二氧化锡颗粒变大，且碳包覆的量也不足。
[0013]如上所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，所述步骤S1中，所述特定温度为5～30℃，所述混合一定时间为混合3～20小时。
[0014]如上所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，所述步骤S2中的沉淀剂为氨水、氢氧化钠、尿素或者三乙二胺中的任意一种或多种混合；所述步骤S2中反应一定时间为3～20分钟；所述步骤S2中调节pH值范围为5～10。优选的，所述步骤S2中的沉淀剂为氨水，更优选的，所用氨水浓度为1～5mol/L，氨水滴加速度在1～2滴/s。本专利技术中选用氨水能够以较慢的速度提供氢氧根，会使得生成的二氧化锡颗粒更小更均匀，当沉淀剂选为尿素或者三乙二胺时，保温时间在4～16小时，保温温度在60～200℃。
[0015]优选的，所述步骤S2中所得产物需在80℃下烘干。
[0016]如上所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，所述步骤S3中的可控气体为空气、氮气、氩气中的任意一种。更优选的，所述步骤S3中的可控气体为氮气。
[0017]如上所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，所述步骤S1具体步骤为：聚乙烯醇提前6～12小时放入去离子水中，后加热融化后加入锡源。优选的，配制对应比例的聚乙烯醇溶液，将聚乙烯醇提前泡发12小时，然后升温至80℃，使其形成均一溶液。
[0018]优选地，所述步骤S3中，当烧结气氛为惰性气体如氮气、氩气时，烧结的温度为500～600℃，时间为4小时至10小时。温度高于600℃或者时间长于10小时，碳会将二氧化锡还原为金属锡；温度低于500℃或者时间短于4小时，PVA石墨化不完全；优选的，所述步骤S3中，当烧结气氛为空气时，温度为300～400℃，时间为2～4小时，因为如果存在O2使PVA分解温度降低。优选的上述两种方案，均需在升至最高温度前，在100℃保温30min。
[0019]基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了如上所述的制备方法制备的碳包覆二氧化锡纳米颗粒在锂离子电池中的应用。
[0020]基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种锂电池负极，以如上任意一项所述的制备方法制备得到的碳包覆二氧化锡纳米颗粒为活性物质制备得到。
[0021]基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种锂电池，以如上所述的锂电池负极为负极组装而成。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]1、本专利技术制备的SnO2颗粒外层包裹碳壳，极大地改善材料的导电能力；同时有效的抑制了SnO2的膨胀，可以明显的改善反应过程中的体积效应，缓解了因电极材料粉化导致的电解液消耗增加、电池寿命衰减等问题。
[0024]2、本专利技术直接制备碳包覆SnO2纳米颗粒，通过锡源与碳源包覆剂之间具有的相互作用使碳源包覆剂附着在SnO2纳米颗粒的表面，烧结时，碳源包覆剂受热分解后变为碳壳，从而改善材料的导电特性及抑制材料在充放电过程中的膨胀，提高电池的寿命，制备简单，效果显著。
附图说明
[0025]图1为对比例1在空气中氛围中500℃保温3h去除碳层后的SnO2的电化学循环稳定性；
[0026]图2为本专利技术实施例1制备的产品碳包覆SnO2的电化学循环稳定性；
[0027]图3为对比例2所制备的样品的电化学循环稳定性；
[0028]图4为本专利技术实施例1制备的产品碳包覆SnO2的充放电倍率测试图；
[0029]图5为反应原料SnO2的SEM测试图；
[0030]图6为本专利技术实施例1制备的产品碳包覆SnO2的SEM测试图；
[0031]图7为锡源和聚乙烯醇不同比例XRD测试图；
[0032]图8为本专利技术实施例1制备的产品碳包覆SnO2与二氧化锡的电化学阻抗测试对比图；
[0033]图9为本专利技术实施例1制备的产品碳包覆SnO2热重测试图；
[0034]图10为本专利技术实施例1制备的产品碳包覆SnO2的拉曼光谱图。
具体实施方式
[0035]下面将结合本专利技术实施例中的内容，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在特定温度下将锡源与碳源包覆剂混合一定时间；S2、加入沉淀剂，反应一定时间，调节pH至一定范围，得到沉淀中间体；S3、将所得沉淀在可控气体氛围下进行高温煅烧，获得碳包覆SnO2纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的锡源为四氯化锡或者是二氯化锡。3.根据权利要求1所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的碳源包覆剂为分子量为145000～205000的聚乙烯醇或者羟乙基纤维素的非离子表面活性剂。4.根据权利要求1所述的一种碳包覆二氧化锡纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的沉淀剂为氨水、氢氧化钠、尿素或者三乙二胺中的任意一种或多种混合；所述步骤S2中反应一定时间为3～20分钟；所述步骤S2中调节pH值范...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚良玉，孟凡豪，王杰，迟同胜，赵方君，
申请(专利权)人：山东德晋新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：