一种用于钠离子电池负极的纳米Sn-C复合材料及制备方法

本发明涉及一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料及制备方法，属于电化学储能材料领域。

背景技术：

1、负极材料是决定钠离子电池综合性能优劣的关键材料之一。sn基材料由于无毒，容量高，安全性好等优势，作为钠离子电池有应用前景的负极材料，受到了研究者们的广泛关注。但sn基材料存在的主要问题是钠离子在与sn合金化和去合金化反应过程中伴随着巨大的体积变化，导致材料易粉化、失活，循环性能不佳。将sn纳米化的同时和碳材料进行复合能够明显改善这种体积变化问题。其原理在于，纳米化的颗粒体积变化时产生的绝对体积变化小，颗粒不容易破碎，而碳材料作为一种具有一定弹性的连续基体则能够有效防止纳米sn颗粒的团聚，并且有效缓冲sn的体积变化，使得材料的稳定性大幅提高。

2、在现有的sn基材料中，sn氧化物和硫化物等衍生sn化合物由于导电性较差很难实际应用，而金属纳米sn颗粒和c材料复合所得的纳米sn-c复合材料则具有更高的实际应用潜力，因为其导电能力更好，有利于降低充放电过程中的电荷转移阻抗。但是目前所报道的纳米sn-c复合材料多用于锂离子电池，而且其制备方法都比较复杂，不仅需要聚乙烯吡咯烷酮等结构阻隔剂，还需要高温下的还原性气氛处理等高能耗过程，以处理碳源获得缓冲用的具有导电网络的碳基体同时实现sn的还原。但是由于sn的熔点较低(223℃)，纳米sn颗粒在高温处理过程中极易聚集长大至微米级，而长大以后的sn颗粒由于充放电过程绝对体积变化较大，内应力明显增大，颗粒易粉化并与集流体脱离而失活，很容易导致材料的循环性能变差，难以满足应用推广的要求。因此，如何开发新型制备方法，避免高温处理过程，实现纳米sn-c复合材料的高效合成，达到超细纳米sn颗粒在导电性良好的碳基体上高分散的稳定结构，同时实现材料储钠循环容量和循环寿命的极大改善，是钠离子电池负极用sn-c复合材料的重要研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料及制备方法。利用一步化学共还原法同时实现了纳米级sn颗粒的制备、氧化石墨烯的直接还原及sn纳米颗粒在石墨烯表面的均匀分散。

2、为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，将锡源溶于水中，获得溶液1，将配体化合物溶于水中，获得溶液2；

5、步骤2，将溶液1和溶液2混合搅拌；

6、步骤3，将氧化石墨烯水溶液加入溶液1和2的混合溶液中搅拌，再加入还原剂溶液进行还原反应；

7、步骤4，反应结束后，将所得产物进行离心、洗涤、冷冻干燥,得到纳米sn-c复合材料。

8、其中氧化石墨烯水溶液采用hummers法制备。

9、进一步，所述锡源为二水二氯化锡或无水二氯化锡；所述配体化合物为乙二胺四乙酸(edta)或乙二胺四乙酸二钠盐；所述还原剂溶液为硼氢化钠和柠檬酸钠的混合溶液。

10、进一步，所述锡源溶液的浓度为2～2000mmol/l；所述配体化合物溶液浓度为2～2000mmol/l；所述氧化石墨烯水溶液浓度为2～50g/l。

11、进一步，所述步骤1中锡源的质量为0.045～0.7g，配体化合物的质量为0.058g～0.67g。

12、进一步，所述步骤1中水的体积是2～100ml。

13、进一步，所述步骤2中的搅拌时间是0.5h；所述步骤3中的搅拌时间是0.5h。

14、进一步，所述步骤3中还原反应时间为1～50min；所述步骤4中冷冻干燥时间为12h。

15、进一步，所述步骤3中氧化石墨烯水溶液加入量为2～100ml；还原剂溶液的加入量为2～100ml。

16、进一步，所述硼氢化钠和柠檬酸钠的浓度都是2～1000mmol/l。

17、一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法制得的纳米sn-c复合材料。

18、与现有技术相比本发明具有以下优点：

19、1.本发明方法所获得sn颗粒的尺寸为2～100nm，粒径均匀，分散性好，而且颗粒尺寸大小可由反应条件控制。

20、2本发明制备的纳米sn-c复合材料利用石墨烯较高的导电性和较大的比表面积等优良特性，将超细的纳米sn颗粒担载到石墨烯纳米片层结构上，能够有效缓解sn充放电过程的巨大体积变化，维持材料的稳定性及较高的循环可逆容量。

21、3.本发明所用的材料价廉易得，工艺简单，加工过程高效节能，无污染。

技术特征：

1.一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，所述锡源为二水二氯化锡或无水二氯化锡；所述配体化合物为乙二胺四乙酸或乙二胺四乙酸二钠盐；所述还原剂溶液为硼氢化钠和柠檬酸钠的混合溶液。

3.根据权利要求1所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，所述锡源溶液的浓度为2～2000mmol/l；所述配体化合物溶液浓度为2～2000mmol/l；所述氧化石墨烯水溶液浓度为2～50g/l。

4.根据权利要求1所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中锡源的质量为0.045～0.7g，配体化合物的质量为0.058g～0.67g。

5.根据权利要求1所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中水的体积是2～100ml。

6.根据权利要求1所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的搅拌时间是0.5h；所述步骤3中的搅拌时间是0.5h。

7.根据权利要求1所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中还原反应时间为1～50min；所述步骤4中冷冻干燥时间为12h。

8.根据权利要求1所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中氧化石墨烯水溶液加入量为2～100ml；还原剂溶液的加入量为2～100ml。

9.根据权利要求2所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法，其特征在于，所述硼氢化钠和柠檬酸钠的浓度都是2～1000mmol/l。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种用于钠离子电池负极的纳米sn-c复合材料的制备方法制得的纳米sn-c复合材料。

技术总结
本发明公开了一种用于钠离子电池负极的纳米Sn‑C复合材料及制备方法，属于电化学储能材料领域。本发明利用一步化学共还原法同时实现了纳米级Sn颗粒的制备、氧化石墨烯的直接还原及Sn纳米颗粒在石墨烯表面的均匀分散。由于Sn的颗粒较小且在石墨烯载体表面均匀分散，该Sn‑C复合材料表现出很高的电化学储钠容量，且循环稳定性良好。本发明所用的原料价廉易得，工艺简单且无需高温处理过程，能耗低无污染。

技术研发人员：李勇,任海婷,赵云,李志凯
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12