一种纳米粒子嵌入碳纳米片锂离子电池负极材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料，具体涉及一种纳米粒子嵌入碳纳米片锂离子电池负极材料的制备方法，该方法制得的纳米粒子均匀嵌入碳纳米片，及其作为锂离子电池负极材料的应用。
【背景技术】
[0002]随着经济的快速发展，能源问题成为制约社会发展的重要因素之一。锂离子电池作为一种新型的二次能源，因具有能量密度大、自放电小、工作电压高、循环寿命长、无记忆效应和无环境污染等优良特性，近年来得到快速发展，已经广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等各类便携电子设备中，被认为是目前最有效的能源储存方式之一。但是随着社会的发展，人们对锂离子电池的性能提出更高的要求，尤其是需求更高的能量密度和功率
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[0003]但是，商业化锂离子电池的负极材料目前主要是石墨，虽然石墨具有廉价、环境友好、高的结构稳定性和电导率高等优点，但其理论比容量低，这使其无法应用到要求高能量密度的电动汽车等领域内。因此，寻找比容量大、循环和倍率性能好的的负极材料成为目前负极材料研究领域的热点问题之一。
[0004]金属负极理论比容量高，一般为石墨理论比容量的几倍甚至更多，是潜在的替代石墨负极材料的主要负极材料。目前可作为锂离子电池的负极材料主要有金属锡、锗、锑和非金属硅等。虽然这些材料的比容量大，但是这些材料在脱嵌锂过程中存在严重的体积膨胀效应，并且电导率也不高，从而导致循环稳定性极差，限制了其在实际生产中的应用。因此，对金属负极材料进行改性，使其能够达到实际应用的标准显得尤为重要。
[0005]金属负极的改性方法主要有:纳米化，表面包覆以及形成复合材料等。纳米化主要包括将各种金属负极材料设计成各种纳米结构;表面包覆主要是炭包覆，还包括其它各种材料对金属负极的包覆;形成复合材料的种类比较多，与其复合的材料可以是活性物质也可以是非活性物质，但是其起到的作用大体相同，主要是限制其体积膨胀或增加导电性。最近研究表明，将纳米粒子嵌入到碳纳米片中，然后将其作为锂离子电池负极材料可以大幅度提高金属负极材料的电化学性能。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是商业化石墨负极容量太低，本发明的目的是提供一种纳米粒子嵌入碳纳米片锂离子电池负极材料及其制备方法，该材料储锂容量高，循环性能好，制备方法简单，成本低，易于大规模制备。本发明提出的纳米粒子嵌入碳纳米片锂离子电池负极材料，不是纳米粒子与碳纳米片的简单复合，而是纳米粒子均匀的嵌入到碳纳米片中，纳米粒子与碳纳米片结合紧密，不易剥落，并且有很好的电子导电性和离子导通性，通过克服了纳米粒子循环性能差的技术问题，提高了石墨负极容量。
[0007]本发明采用如下技术方案，其特点在于:
一种纳米粒子嵌入碳纳米片锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，以易溶于水的有机物为碳源，商业化微米级金属粒子或微米级非金属粒子为粒子源，氯化钠为模板，将碳源，粒子源和氯化钠混合，高能球磨，烘干后，形成的固体混合物在混合气氛下，于管式炉中在600?750°C的温度范围内热解处理，冷却、洗涤和干燥后，得到所述的锂离子电池负极材料。
[0008]所述的粒子、碳源和氯化钠的优选质量比为(0.6?1.0): (3?5):(30?50)。
[0009]所述的方法具体包括以下步骤:
1)前驱体制备:称取(0.6?1.0)g商业化微米级金属粒子或微米级非金属粒子、(3?5)g碳源和(30?50)g氯化钠，放入球磨罐中，加入(5?20)mL蒸馈水，以500rpm速度球磨(10?20)h，将得到的混合物放入烘箱中，60?80°C烘干后放入管式炉中；
2)前驱体热解处理:在氢气和惰性气体混合气氛下，以(2?5)°C/min程序升温至600?750°C进行热解处理，在改温度下保持2h以上，然后冷却至室温；
3)后处理:将煅烧后的黑色膨胀物用蒸馏水洗涤除去氯化钠模板，再用蒸馏水洗涤至中性后干燥。
[0010]所述的有机物优选自葡萄糖、蔗糖、果糖、柠檬酸和柠檬酸钠等易溶于水的有机物。
[0011]所述的混合气氛是指氢气与氮气、氩气两种气体中的一种的混合气体。
[0012]更具体地，以金属锡为例，本发明的纳米粒子嵌入碳纳米片锂离子电池负极材料的制备，包括以下步骤:
1)前驱体制备:以柠檬酸(或葡萄糖、蔗糖、果糖和柠檬酸钠)为碳源，商业化微米级金属锡为粒子源，以氯化钠为模板，称取(0.6?1.0)g商业化微米级金属锡、(3?5)g柠檬酸(或葡萄糖、蔗糖、果糖和柠檬酸钠)和(30?50)g氯化钠，放入球磨罐中，加入(5?20)mL蒸馏水，以500rpm速度球磨(10?20)h，将得到的混合物放入烘箱中，60?80°C烘干后放入管式炉中；
2)前驱体热解处理:制得的前驱体样品均匀地铺洒在烧舟底部，将烧舟置于管式炉恒温区，先通氮气30min，以排除管式炉内的空气，然后通氩气和氢气的混合气体，以2°C/min进行程序升温至750°C进行碳化，在750°C下保温2h，然后冷却至室温。取出产物，得到黑色膨胀固体。
[0013]3)后处理:将煅烧后的黑色膨胀物加入到500mL烧杯中，加入400mL蒸馏水，过滤，
洗涤除去氯化钠模板，再用蒸馏水洗涤至中性后干燥。
[0014]上述方法通过简单的球磨法结合热解法制备纳米金属锡粒子嵌入碳纳米片锂离子电池负极材料，是一种纳米金属锡粒子均匀嵌入到碳纳米片中。将所得的复合材料用于锂离子电池负极，测试其在锂离子电池中的电化学性能。
[0015]本发明的优点在于:本发明的纳米粒子嵌入碳纳米片锂离子电池负极材料中的纳米粒子是均勾嵌入到碳纳米片中的。在这种复合材料的结构中，在充放电过程中，纳米粒子在是电化学反应