一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用。该Sn基复合材料，包括若干个蛋黄

【技术实现步骤摘要】
一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]开发兼具高容量、快充和高安全特性的电极材料以发展下一代高性能锂离子电池已经成为了研究者当前的共识。目前，石墨负极材料的实际使用容量已经达到355mAh
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‑1以上，接近其理论容量(372mAh
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‑1)，同时其层间距较窄且动力学迟缓，难以满足下一代锂离子电池对高能量和功率密度的需求。金属Sn具有安全的嵌锂电位和高的理论储锂容量(994mAh
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‑1)，是一类极具实用潜力的负极材料。然而，金属Sn作为负极材料在充放电过程中会出现巨大的体积效应，极易导致电极材料的粉化、脱落。此外，金属Sn与电解液直接接触时通常会催化后者的分解，造成金属Sn表面的SEI膜不稳定，进一步限制了其长循环能力。这些都成为了阻碍Sn基复合材料作为负极材料发展的重要因素。
[0003]包覆技术可以有效避免金属Sn与电解液的接触，同时包覆层也能够一定程度上缓解脱嵌锂过程中的体积变化，成为了近年来改善Sn等合金类负极材料储锂性能的主要手段。根据包覆形式的不同可分为：核壳结构和蛋黄
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壳结构，包覆层通常为碳材料。核壳结构中核与壳接触紧密，能够获得好的动力学，但是由于没有预留缓冲空间，导致材料无法适应膨胀应力，最终造成循环较差。蛋黄
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壳结构中多余的空间可以缓冲体积膨胀，有效克服了上述问题。然而，传统蛋黄
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壳结构中核与壳之间为单点接触(即单壳和单核之间的接触)，导致接触电阻较大，不利于动力学提升。例如，现有技术中，Sn基复合材料在4C下，其放电容量一般在350mAh/g以下、循环性能一般能达到100～500周不等，容量保持率在85％以下，其倍率和循环性能有待提高。
[0004]因此，开发一种简单、高成本效益的制备方法，可控构建高稳定且反应动力学较快的Sn基复合材料仍是当前的技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是克服了现有技术中蛋黄
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壳结构的Sn基复合材料的接触电阻大，反应动力学迟缓的缺陷，提供了一种Sn基复合材料、电池及其制备方法和应用。本专利技术提供的Sn基复合材料作为锂离子电池负极材料展现出高的容量、快速的反应动力学和优异的储锂稳定性。
[0006]本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题。
[0007]本专利技术提供了一种Sn基复合材料，其包括若干个蛋黄
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壳结构，
[0008]单个蛋黄
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壳结构包括一碳壳包覆层；所述碳壳包覆层内设有若干个金属Sn内核；所述若干个金属Sn内核的体积小于所述碳壳包覆层内的容积；所述若干个金属Sn内核和所述碳壳包覆层中间空隙部分形成空腔结构；
[0009]单个蛋黄
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壳结构中，所述空腔结构与所述若干个金属Sn内核的体积比为(0.3～8):1。
[0010]本专利技术中，所述蛋黄
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壳结构一般是指在内核与外壳间引入空隙部分，形成了一种多相复合材料的结构；其中，所述蛋黄结构为金属Sn内核，所述壳结构为碳壳包覆层。
[0011]本专利技术中，所述单个蛋黄
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壳结构中，所述空腔结构一般是指在单个蛋黄
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壳结构中，所述碳壳包覆层和多个金属Sn内核中间的空隙部分。
[0012]本专利技术中，所述单个蛋黄
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壳结构中，所述若干个金属Sn内核一般是指在单个蛋黄
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壳结构中全部的金属Sn。
[0013]本专利技术中，所述单个蛋黄
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壳结构的颗粒尺寸可为本领域常规，所述单个蛋黄
‑
壳结构的颗粒尺寸优选为200～2000nm，例如200nm、300nm、320nm、350nm、450nm、500nm、550nm、800nm、1000nm、1500nm或者2000nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，更优选为300～800nm。
[0014]本专利技术实施例中，所述蛋黄
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壳结构的颗粒尺寸约为300～550nm。
[0015]本专利技术中，所述金属Sn内核的粒径优选为50～200nm，例如50nm、100nm、150nm或者200nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，更优选为50～150nm。
[0016]本专利技术实施例中，所述蛋黄
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壳结构中，金属Sn内核的粒径约为50～100nm、50～150nm、150～200nm。
[0017]本专利技术中，所述若干个金属Sn内核的重量分数可为本领域常规，所述若干个金属Sn内核的重量分数优选为40～90wt％，例如50.1wt％、62.6wt％、68.3wt％、70.2wt％、71.0wt％、75.2wt％、85.7wt％或者89.2wt％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0018]本专利技术中，优选地，所述金属Sn内核的数量至少两个，例如2个、5个、8个、10个、15个、18个或者20个，更优选为10～20个。
[0019]本专利技术中，所述金属Sn内核优选为纯相金属Sn单质。
[0020]本专利技术中，所述单个蛋黄
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壳结构中，所述空腔结构与所述若干个金属Sn内核的体积比优选为8:1、7:1、5:1、3:1、2:1、1:1或者0.3:1，更优选为(3～1):1。
[0021]本专利技术中，若所述空腔结构与所述若干个金属Sn内核的体积比大于8:1，即体积比太高时，金属Sn内核含量过少，复合材料容量低；若体积比太低，低于0.3:1，则预留空腔体积不够，造成嵌锂时碳壳易破，长循环性能下降。
[0022]本专利技术中，所述碳壳包覆层的材质可为硬碳和/或软碳。生成硬碳的包覆剂可为聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂和酚醛树脂中的一种或多种，生成软碳的包覆剂可为多巴胺、葡萄糖和石油沥青中的一种或多种。
[0023]本专利技术中，优选地，所述碳壳包覆层具有孔结构。本专利技术中，所述碳壳包覆层具有孔结构使得产品具有较好的电解液浸润性，能够实现快速的电子和离子传输。
[0024]其中，所述孔结构的孔径可为本领域常规，优选为2～10nm，更优选为3～5nm。
[0025]本专利技术中，所述Sn基复合材料的比表面积可为100～200m3/g，例如109m3/g。
[0026]本专利技术还提供了一种上述Sn基复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0027](1)在惰性气氛下，将前驱体进行预碳化；其中，所述前驱体为SnO2、包覆剂和造孔剂混合后所得固体；所述SnO2、所述包覆剂和所述造孔剂的质量比为1:(0.2～5):(0.2～5)；
[0028](2)在还原气氛下，将预碳化后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Sn基复合材料，其特征在于，其包括若干个蛋黄
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壳结构，单个蛋黄
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壳结构包括一碳壳包覆层；所述碳壳包覆层内设有若干个金属Sn内核；所述若干个金属Sn内核的体积小于所述碳壳包覆层内的容积；所述若干个金属Sn内核和所述碳壳包覆层中间空隙部分形成空腔结构；单个蛋黄
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壳结构中，所述空腔结构与所述若干个金属Sn内核的体积比为(0.3～8):1。2.如权利要求1所述的Sn基复合材料，其特征在于，所述单个蛋黄
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壳结构的颗粒尺寸为200～2000nm，例如200nm、300nm、320nm、350nm、450nm、500nm、550nm、800nm、1000nm、1500nm或者2000nm，优选为300～800nm；和/或，所述金属Sn内核的粒径为50～200nm，例如50～100nm、50～150nm或者150～200nm，优选为50～150nm；和/或，所述若干个金属Sn内核的重量分数为40～90wt％，例如50.1wt％、62.6wt％、68.3wt％、70.2wt％、71.0wt％、75.2wt％、85.7wt％或者89.2wt％；和/或，所述金属Sn内核的数量至少两个，例如2个、5个、8个、10个、15个、18个或者20个，优选为10～20个；和/或，所述金属Sn内核为金属Sn单质；和/或，所述单个蛋黄
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壳结构中，所述空腔结构与所述若干个金属Sn内核的体积比为8:1、7:1、5:1、3:1、2:1、1:1或者0.3:1，优选为(3～1):1；和/或，所述碳壳包覆层的材质为硬碳和/或软碳；和/或，所述碳壳包覆层具有孔结构；所述孔结构的孔径为2～10nm，优选为3～5nm；和/或，所述Sn基复合材料的比表面积为100～200m3/g，例如109m3/g。3.一种如权利要求1或2所述的Sn基复合材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：(1)在惰性气氛下，将前驱体进行预碳化；其中，所述前驱体为SnO2、包覆剂和造孔剂混合后所得固体；所述SnO2、所述包覆剂和所述造孔剂的质量比为1:(0.2～5):(0.2～5)；(2)在还原气氛下，将预碳化后的材料进行热处理，即可；其中，所述热处理时，气体流量为150～550mL/min。4.如权利要求3所述的Sn基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述前驱体的制备方法包括下述步骤：将所述包覆剂和所述造孔剂依次加入至含有所述SnO2的分散液中，搅拌后固液分离，所得固体即为前驱体；和/或，步骤(1)中，所述SnO2为中空SnO2；优选地，所述SnO2的制备方法包括下述步骤：将含有小分子有机物和锡源的混合物进行溶剂热反应后，冷却、固液分离所得固体即为SnO2；所述小分子有机物为分子量60～190的还原性有机物；和/或，步骤(1)中，所述包覆剂为多巴胺、葡萄糖、石油沥青、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂和酚醛树脂中的一种或多种，优选地为多巴胺、葡萄糖和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：马坤，孙文婷，席博，邰建，张鹏昌，吴志红，
申请(专利权)人：宁波杉杉新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：