一种锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂离子电池负极材料制备技术领域，具体来说是一种锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料及其制备方法和应用，本发明专利技术通过石墨烯/SnO2复合材料克服了碳材料比容量低的技术缺陷，通过金属锂的复合克服了石墨烯首次库伦效率低的技术缺陷，因此制得了一种比容量、首次库伦效率高的复合材料，并将此复合材料应用于锂离子电池负极材料中，以提升整个锂离子电池的电荷迁移能力。池的电荷迁移能力。池的电荷迁移能力。

【技术实现步骤摘要】
一种锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料制备
，具体涉及一种石墨烯复合材料、制备方法和在锂电池负极材料中的应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池以其高比能量、高电压及长寿命等优点备受关注。锂电池曾采用单质锂作为负极材料，磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等含锂金属氧化物作为正极材料，而在单质锂充放电过程中会出现锂在负极表面不均匀沉积和产生枝晶锂的现象，枝晶锂会刺穿隔膜造成电池短路进而造成安全隐患；锂离子电池的成功归功于采用碳负材料替代锂负极，在充放电过程中，锂离子在正负极间脱嵌，利用锂离子在正负极之间的“摇椅效应”贡献容量，因此锂离子电池也被形象的称为“摇椅电池”。
[0003]现有技术商用锂离子电池常采用碳材料作为负极，碳材料包括石墨化的碳、软碳和硬碳，其中的石墨具有层状结构，锂离子在石墨层间能够可逆脱嵌，形成各种锂
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碳化合物；然而碳材料负极均具有比容量低的根本问题，其质量比容量仅为金属锂的十分之一，因此仅通过改进石墨电极材料制备工艺是很能进一步大幅度提高以碳基材料为负极的锂离子电池的性能，继而满足高能量密度高性能锂离子电池的要求；为了提高锂离子电池的能量密度，需要一种新型的锂离子负极材料。
[0004]石墨烯是一种仅由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型晶格的平面薄膜，即只有一个碳原子厚度的二维材料；相比于其他碳材料，石墨烯具有独特的微观结构，这使得石墨烯具有较大的比表面积和蜂窝状空穴结构，具有较高的储锂性能；此外，石墨烯材料本身具有良好的化学稳定性、高电子迁移率以及优异的力学性能，使其作为电极材料具有突出优势。而石墨烯本身也存在一定的缺陷，纯石墨烯材料由于具有首次库伦效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差的技术缺陷，导致其不能直接作为锂离子电池负极材料而进行应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料及其制备方法和应用，本专利技术通过石墨烯/SnO2复合材料克服了碳材料比容量低的技术缺陷，通过金属锂的复合克服了石墨烯首次库伦效率低的技术缺陷，因此制得了一种比容量、首次库伦效率高的复合材料，并将此复合材料应用于锂离子电池负极材料中，以提升整个锂离子电池的电荷迁移能力和循环稳定性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)采用水热法制备石墨烯/SnO2复合材料；
[0009](2)将步骤(1)的石墨烯/SnO2复合材料超声分散至有机碳源的水溶液中，并将溶剂蒸干后，于800
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1000℃下高温热解4
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7h，得到碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料；
[0010](3)于真空条件下，将步骤(2)碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料和锂粉于球磨机中研磨，得到混合粉体，然后将混合粉体继续于真空条件下，加热至锂粉处于熔融状态，冷却至室温，得到锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料。
[0011]优选的，所述步骤(2)中有机碳源水溶液中有机碳的质量分数为4
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6％，所述有机碳源选自葡萄糖或蔗糖。
[0012]优选的，所述步骤(2)的超声分散条件为：于60
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100W条件下超声15
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30min。
[0013]优选的，所述步骤(2)的碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料中石墨烯/SnO2复合材料与碳的质量比为1:0.5
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0.8。
[0014]优选的，所述步骤(3)中碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料与锂粉的质量比为1:0.05
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0.1。
[0015]优选的，所述步骤(3)中锂粉的纯度＞99％，粒度≤200μm，所述球磨机中研磨的时间为10
‑
20h。
[0016]优选的，所述步骤(1)中石墨烯/SnO2复合材料的制备包括如下步骤：
[0017](1)将石墨烯超声分散于去离子水中，得到分散液；
[0018](2)在分散液中加入NaOH和水合肼，随后加入SnCl4，再于150
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200℃下反应12
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16h，经过滤、清洗，真空干燥，得到石墨烯/SnO2复合材料；
[0019]其中，所述石墨烯与所述SnCl4的质量比为1:60
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80。
[0020]本专利技术还保护了制备方法制得的锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料。
[0021]本专利技术还保护了利用锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料制备的负极材料，所述负极材料按照如下步骤制备：
[0022]将锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料、导电乙炔黑和聚偏氟乙稀混合，加入N
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甲基吡咯烷酮后研磨至得到均相的黑色泥浆，将黑色泥浆均匀铺设于集流体上，经干燥、压制，得到负极材料；
[0023]其中，锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料、导电乙炔黑和聚偏氟乙稀的质量比为0.75
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0.85:0.1
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0.15:0.1
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0.15。
[0024]本专利技术还保护了负极材料在制备锂离子电池中的应用，所述锂离子电池按照如下步骤制备：
[0025]将正极材料、隔膜、负极材料叠片并组装成电芯，所述隔膜位于所述正极材料和所述负极材料之间，再用壳体封装所述电芯，向所述壳体内注入电解液，制得锂离子电池。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：
[0027]1、本专利技术制备得到了锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料，并以锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料作为锂离子电池的负极材料；本专利技术的原理为：首先按照常规的制备手段制得了石墨烯/SnO2复合材料，其中，SnO2具有较高的储存锂容量，使得石墨烯和SnO2复合后的能量密度得到有效提升，且将SnO2引入石墨烯片层间后，克服了石墨烯片层的聚集，确保了离子传输通道的通畅；然后采用有机碳源与石墨烯超声互溶，于加热条件下实现有机碳源的碳化，继而实现将碳包覆于石墨烯/SnO2复合材料的表面，此时锂离子在碳材料表面可逆脱嵌时，石墨烯/SnO2复合材料极大的提升了碳的比容量，从而克服了碳材料存在的比容量低的技术缺陷；最后将碳包覆于石墨烯/SnO2复合材料与金属锂进行复合，通过熔融法将碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料和金属锂形成复合材料，金属锂的熔点低，在经复合后，金
属锂吸附在碳颗粒的表面、碳颗粒聚集体的间隙或位于碳颗粒与石墨烯/SnO2复合材料之间，此时碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料能够更好的抑制金属锂枝晶生长，尤其在循环中无明显极化现象，具有优异的循环稳定性；而与金属锂复合的原因在于：采用金属锂对碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料进行预锂化处理，继而提升整个材料的首次库伦效率。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用水热法制备石墨烯/SnO2复合材料；(2)将步骤(1)的石墨烯/SnO2复合材料超声分散至有机碳源的水溶液中，并将溶剂蒸干后，于800
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1000℃下高温热解4
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7h，得到碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料；(3)于真空条件下，将步骤(2)碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料和锂粉于球磨机中研磨，得到混合粉体，然后将混合粉体继续于真空条件下，加热至锂粉处于熔融状态，冷却至室温，得到锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中有机碳源水溶液中有机碳的质量分数为4
‑
6％，所述有机碳源选自葡萄糖或蔗糖。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的超声分散条件为：于60
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100W条件下超声15
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30min。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料中石墨烯/SnO2复合材料与碳的质量比为1:0.5
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0.8。5.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料与锂粉的质量比为1:0.05
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0.1。6.根据权利要求1所述的一种锂@碳包覆的石墨烯/SnO2复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中锂粉的纯度＞99％，粒度≤200μm，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小艳，谢成根，张贝贝，乔兰情，赵祚福，
申请(专利权)人：皖西学院，
类型：发明
国别省市：