一种锂离子电池用无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及锂离子电池电极材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池用无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料及其制备方法与应用。

背景技术：

目前商业化锂离子电池大多采用石墨材料作负极，锂离子嵌入石墨形成层间化合物lixc6，理论比容量仅为372mah/g。氧化、掺杂、表面包覆等改性方法能提高石墨电极库仑效率和循环性能，但是，由于材料嵌锂机理的固有特性，石墨材料的容量与实际需求仍相去甚远。金属氧化物、金属氮化物、金属磷化物等材料通过转化反应存储锂离子，表现出较高的理论容量。其中，磷化锡可通过转化反应和合金化反应两种机制存储锂离子，理论容量高(＞900mah/g)，而且其充放电电位较氧化物低，因此有望替代石墨材料，成为高容量锂离子电池负极材料的选择。但是，磷化锡在循环过程中，反复锂嵌入/脱出造成的体积变化容易导致电极粉化和脱落；由于锡的再结晶温度低于室温，因此转化反应产物锡颗粒容易长大，导致转化反应的可逆性降低。这些因素都导致磷化锡的储锂容量随循环迅速衰减。

中国专利(cn106602020a)曾公布一种三磷化四锡碳复合材料，制备过程是将三磷化四锡与石墨进行40h球磨，所得复合材料在0.1a/g电流密度下经过50次循环后，容量仍为750mah/g。另有专利(cn101556998a)通过50h球磨加上35h焙烧获得一种十七磷化三锡负极材料，在50μa/cm²电流密度下，首次放电容量可达954mah/g，10周后容量维持564mah/g。这些工作都在一定程度上提高磷化锡的循环性能。然而，他们所合成的磷化锡负极在容量(＜1000mah/g)和循环稳定性(＜100圈)方面仍旧欠缺，并且制备过程耗时长(＞20h)。

技术实现要素：

本发明首要目的是提高磷化锡作为锂离子电池负极的容量和循环寿命。本发明提供了一种锂离子电池用无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料及其制备方法与应用。本发明以磷粉、锡粉和膨胀石墨为原料，通过机械球磨法使磷与锡反应生成三磷化锡之后，引入膨胀石墨，在等离子体辅助下再次球磨：原位剥离的少层石墨烯包裹原位分解形成的无定形三磷化四锡与磷，最终得到三元复合的负极材料。该负极材料具有储锂容量高、循环稳定的优点。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

一种锂离子电池用无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料，所述负极材料由少层石墨烯碳基体包覆无定形的三磷化四锡和磷构成。

优选的，所述少层石墨烯在负极材料中的质量百分含量为10～50％。

进一步优选的，所述少层石墨烯在负极材料中的质量百分含量为20～30％。

以上所述的一种锂离子电池用无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，包括以下步骤：

a、第一步球磨：将锡粉和磷粉混合，在氩气气氛下通过行星球磨法或摆振球磨法球磨得到三磷化锡；所述球磨的转速为300～1000rpm；

b、第二步球磨：将第一步球磨所得产物与膨胀石墨混合，在氩气气氛下通过介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨法球磨，得到无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料。

优选的，步骤a、步骤b中球料比均为30：1～70：1。

优选的，步骤a中锡粉和磷粉的摩尔比为1：3。

优选的，步骤a所述球磨的时间为10h～30h。

优选的，步骤b中膨胀石墨由可膨胀石墨经煅烧获得，具体步骤为：

称取2～3g可膨胀石墨放入坩埚中，然后将坩埚置于950℃的马弗炉中，2min后取出，待坩埚在空气中冷却后即可得到膨胀石墨。

优选的，步骤b采用的球磨方法为介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨法，具体步骤为：

(1)在球磨罐中依次装入配好的粉末和磨球；

(2)通过真空阀对球磨罐抽真空，然后充入氩气，使罐内的压力值达到0.13mpa；

(3)把球磨罐的电极棒和前盖板分别与等离子体电源正、负极相连；

(4)接通等离子体电源，设置等离子体电源电压15kv，电流1.5a，放电频率60khz，启动驱动电机带动激振块，使机架及固定在机架上的球磨罐同时振动，进行介质阻挡放电等离子辅助高能球磨；所述激振块采用双振幅7mm，电机转速1400r/min。

优选的，步骤b膨胀石墨在负极材料中的质量百分含量为10～50％，优选20～30％。

优选的，步骤b所述球磨的时间为0.5h～10h。

进一步优选的，步骤b所述球磨的时间为2～3h。

以上所述的一种无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料与磷酸铁锂正极材料配对应用于制备锂离子全电池中。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明以膨胀石墨作为碳源进行球磨。膨胀石墨碳层间距比石墨更大，在高能球磨过程中更易被剥离成少层石墨烯。原位生成的少层石墨烯包覆在三磷化四锡/磷颗粒表面，为电子的快速传输提供通道，并能有效缓解材料在循环过程中的体积变化，因此倍率性能和循环稳定性得到提高。以膨胀石墨为碳源通过球磨法制备三磷化四锡与碳的复合材料，相比直接利用石墨烯作碳源的制备方法，效率更高，成本更低；相对以石墨和活性碳为碳源，所得三磷化四锡基复合材料的性能更好。

(2)本发明采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨法。由于等离子体和机械能的双重作用，该方法与普通高能球磨法相比单位时间输出的能量更高，因此能够将膨胀石墨进行高效剥离，使三磷化锡分解产物颗粒更小、分散更均匀。

(3)本发明采用两步法进行球磨：先通过球磨制备三磷化锡，再进一步将其与膨胀石墨混合球磨。在第二步球磨过程中，三磷化锡发生分解，原位形成三磷化四锡和单质磷，所得产物为无定形，且颗粒尺寸比直接球磨三磷化四锡和单质磷所得产物更加细小，分散更加均匀。三磷化锡分解产物三磷化四锡和单质磷相比单纯的三磷化四锡具有更高的磷含量，因此储锂容量更高；而三磷化四锡相对于三磷化锡，含锡量更大，具有更好的本征导电性。因此，相对于单纯三磷化四锡和单纯三磷化锡，无定形三磷化四锡和单质磷的组合具有更优的储锂性能。

(4)本发明所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料，在锂离子电池半电池测试中表现出高储锂容量和长循环寿命。

(5)本发明所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料与磷酸亚铁锂正极材料配对组成全电池，具有稳定的循环性能。

附图说明

图1是实施例1所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的xrd图谱；

图2a、图2b、图2c、图2d是实施例1所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料tem的mapping图。

图3是实施例1所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的hrtem图。

图4是实施例1所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料以及经行星球磨制备的纯sn4p3材料xps的sn3d5/2图谱。

图5是实施例1所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料半电池在不同循环下的充放电曲线图。

图6是实施例1所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料半电池的循环性能曲线图。

图7是实施例1所制备的负极材料搭配不同过量百分比的磷酸铁锂正极组装成的全电池在0.6～3.6v电压测试范围下的循环性能曲线图。

图8是实施例1所制备的负极材料搭配过量60％的磷酸铁锂正极组装成的全电池在不同电压测试范围下的循环性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法如下：

第一步球磨：将锡粉和磷粉按照摩尔比1：3混合，球料比为50：1，在氩气气氛下球磨，得到球磨产物三磷化锡。其中，球磨方式为行星球磨，球磨转速为500rpm，球磨时间为10h。

第二步球磨：将第一步球磨所得产物与膨胀石墨混合进行球磨，球料比为50：1，得到无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料。其中，膨胀石墨在负极材料中的质量百分含量为20％，球磨时间为2h。

本实施例所制得的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的xrd图谱可见图1。由图1可知，该负极材料为无定形态。图2a、图2b、图2c、图2d为无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料tem的mapping图，由于锡元素和磷元素分布一致，说明所拍摄的区域有磷化锡的存在。图3为该负极材料的hrtem图，从此图中没有观察到任何碳材料以外的晶格条纹，因而再一次证明了该材料为无定形态，且其表面可以清楚地看到少层石墨烯碳基体的包覆。所制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料以及经行星球磨所得的纯sn4p3材料xps的3d5/2图谱可见图4。由图4可知，该负极材料的分峰与纯sn4p3材料一致，说明原snp3分解为sn4p3相。而该负极材料中的3d5/2峰相对纯sn4p3材料整体向左偏移则是由于碳材料的加入致使结合能增大所导致。

本发明制备的无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的锂离子半电池、全电池性能测试方法：

将无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯、粘结剂cmc和导电剂superp按8：1：1的质量比混合，使用蒸馏水溶剂调浆后均匀涂敷在铜箔上制成负极电极片；在氩气气氛手套箱中，以金属锂片作为对电极，以1mol/llipf6+碳酸乙烯酯(ec)+碳酸二甲酯(dmc)为电解液，其中ec与dmc的体积比为1:2，同时添加体积比为10％的氟代碳酸乙烯酯(fec)，以聚丙烯为隔膜，组装成cr2016扣式半电池进行电化学性能测试。半电池测试条件为：充放电电流密度为1a/g，充放电截止电压为0.01～3.0v(vs.li⁺/li)。将商用lifepo4、粘结剂pvdf和导电剂superp按8：1：1的质量比混合，使用nmp溶剂调浆后均匀涂敷在铝箔上制成正极电极片，替换金属锂片，采用与上述相同的电解液、隔膜、电池壳组装全电池进行电化学性能测试。全电池测试条件为：充放电电流密度为1a/g。

图5和图6分别为本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时所得的充放电曲线图和循环性能图，由图可知，该负极材料在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量高达1224.1mah/g，首次库伦效率为88.9％，循环400次后，可逆比容量仍保留1125.8mah/g。本发明装配全电池时采用磷酸铁锂正极过量，并以无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极的活性物质质量来计算全电池的容量。图7为全电池在不同的正极过量百分比下的循环性能曲线图，电压测试区间为0.6～3.6v。由图可知，当正极材料的活性物质相对于负极材料过量60％时，其循环稳定性最佳。图8为全电池在不同电压范围下的性能对比，其中，所用磷酸铁锂正极材料的过量比控制在60％。可以看到，在3v的电势差下，全电池在0.6～3.6v电压区间内容量最稳定。当将电压区间缩小至1.1～3.6v时，全电池的容量下降，但循环性能并没有提高。因此，本实施例所制备的负极材料与磷酸铁锂正极配对组成全电池时，在磷酸铁锂过量60％和0.6～3.6v的测试电压下，其表现出最优异的电化学性能：第1次和第150次循环的锂储存容量分别为1024.4mah/g和882.4mah/g，容量保留率高达86.1％。

实施例2

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除膨胀石墨在负极材料中的质量百分含量为10％外，其余参数均与实施例1同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1310.2mah/g，首次库伦效率为88.7％，循环100次后，可逆比容量可维持1091.1mah/g。

实施例3

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除膨胀石墨在负极材料中的质量百分含量为30％外，其余参数均与实施例1同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1162.1mah/g，首次库伦效率为88.7％，循环400次后，可逆比容量可维持1101.1mah/g。

实施例4

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除膨胀石墨在负极材料中的质量百分含量为40％外，其余参数均与实施例1同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为977.8mah/g，首次库伦效率为85.0％，循环400次后，可逆比容量可维持805.8mah/g。

实施例5

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第二步球磨时间为1h外，其余参数均与实施例3同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1144.9mah/g，首次库伦效率为86.4％，循环100次后，可逆比容量可维持995.2mah/g。

实施例6

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第二步球磨时间为3h外，其余参数均与实施例3同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1054.6mah/g，首次库伦效率为86.9％，循环400次后，可逆比容量可维持961.1mah/g。

实施例7

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第二步球磨时间为5h外，其余参数均与实施例3同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1081.2mah/g，首次库伦效率为84.1％，循环400次后，可逆比容量可维持798.3mah/g。

实施例8

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第一步球磨球料比为30：1外，其余参数均与实施例7同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1017.3mah/g，首次库伦效率为82.9％，循环400次后，可逆比容量可维持752.7mah/g。

实施例9

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第一步球磨球料比为70：1外，其余参数均与实施例7同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为994mah/g，首次库伦效率为81.7％，循环400次后，可逆比容量可维持964mah/g。

实施例10

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第二步球磨球料比为30：1外，其余参数均与实施例7同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1126.5mah/g，首次库伦效率为81.2％，循环100次后，可逆比容量可维持911.2mah/g。

实施例11

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第二步球磨球料比为70：1外，其余参数均与实施例7同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1017.3mah/g，首次库伦效率为76％，循环100次后，可逆比容量可维持724.2mah/g。

实施例12

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第一步球磨转速为300rpm、球磨时间为20h外，其余参数均与实施例7同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为872.2mah/g，首次库伦效率为81.8％，循环400次后，可逆比容量可维持744.5mah/g。

实施例13

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第一步球磨时间为30h外，其余参数均与实施例12同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1001.5mah/g，首次库伦效率为84.8％，循环400次后，可逆比容量可维持728.8mah/g。

实施例14

本实施例中无定形三磷化四锡/磷/少层石墨烯负极材料的制备方法，除第一步球磨方式为摆振球磨、球磨转速为1000rpm外，其余参数均与实施例3同。

本实施例所制备的负极材料用于锂离子半电池性能测试时，在1a/g的电流密度下，首次可逆比容量为1027.6mah/g，首次库伦效率为85.5％，循环200次后，可逆比容量可维持769.7mah/g。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。