納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)揭示了一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料及其制備方法，包括以下步驟：將聚乙烯吡咯烷酮按照第一質(zhì)量比例加入無水乙醇中，持續(xù)攪拌，溶解得到溶液；將二水合氯化亞錫按照第二質(zhì)量比例，加入溶液中，持續(xù)攪拌，得到混合溶液；向混合溶液中按照第一摩爾比例加入蒸餾水，持續(xù)攪拌指定時(shí)間，得到前驅(qū)體分散液；將前驅(qū)體分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工藝烘干，得到前驅(qū)體；將前驅(qū)體在惰性氣氛下以指定熱處理工藝進(jìn)行熱處理，得到納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料。通過本發(fā)明專利技術(shù)的制備方法制備的納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料，納米錫均勻地分散在氮摻雜碳材料中，具有較高的首次庫(kù)倫效率、比容量、倍率性能和容量保持率，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

Nitrogen-doped Carbon Anode Material Modified by Nano-tin and Its Preparation Method

The invention discloses a nitrogen-doped carbon negative electrode material modified by nano-TiN and its preparation method, which comprises the following steps: adding polyvinylpyrrolidone in anhydrous ethanol according to the first mass ratio, stirring continuously, dissolving to obtain solution; adding stannous chloride dihydrate in solution according to the second mass ratio, stirring continuously, and obtaining mixed solution into mixed solution according to the first mass ratio; The precursor dispersions were obtained by adding distilled water in a molar ratio and stirring continuously for a specified time; the precursor dispersions were dried in a vacuum drying chamber with a specified drying process to obtain precursor; the precursor was heat treated in an inert atmosphere with a specified heat treatment process to obtain nitrogen-doped carbon negative electrode materials modified by nano-tin. The nitrogen-doped carbon anode material modified by nano-TiN prepared by the preparation method of the invention is uniformly dispersed in the nitrogen-doped carbon material and has high first Coulomb efficiency, specific capacity, rate performance and capacity retention rate, which has important application value.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料及其制備方法
本專利技術(shù)涉及新能源
，具體涉及納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
鋰離子電池被廣泛地應(yīng)用在電子產(chǎn)品，電動(dòng)汽車以及儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。但是，目前所使用的商用石墨負(fù)極材料，由于其較低的理論容量(372mAh/g)以及較弱的倍率性能，迫使人們追求新的高性能鋰離子電池負(fù)極材料。錫具有較高的理論容量(992mAh/g，7262mAh/cm-3)并且含量豐富、無毒，從而有望取代石墨成為新一代負(fù)極材料。然而，錫在充放電過程中存在嚴(yán)重的體積變化，會(huì)導(dǎo)致電極材料的粉化甚至脫落，從而縮短了錫的循環(huán)壽命。通過減小錫的尺寸到納米級(jí)別，利用納米顆粒具有快速應(yīng)力釋放以及較短的鋰離子擴(kuò)散距離的優(yōu)點(diǎn)，可以在一定程度上提高錫的循環(huán)性能。但是隨著循環(huán)的進(jìn)行，納米顆粒會(huì)逐漸發(fā)生團(tuán)聚，其將導(dǎo)致循環(huán)性能的下降。因此，一些研究者將納米錫和碳材料形成復(fù)合物，來改善這一現(xiàn)象。碳材料作為一種緩沖基體，在一定程度上能限制住錫的進(jìn)一步粉化與團(tuán)聚，從而提高循環(huán)性能。Zhang等人將錫源和葡萄糖進(jìn)行水熱處理和后期的熱處理得到了多孔的Sn@C納米復(fù)合物(Nanoscale,2015,7,11940-11944.)。在0.2A/g下，經(jīng)過200個(gè)循環(huán)后，該電極仍然具有865mAh/g的高比容量。然而，該材料具有多孔結(jié)構(gòu)且較大的比表面積，因此其振實(shí)密度和首次庫(kù)倫效率不會(huì)高(僅僅只有67.3％)。也有研究者將氮原子引入到碳材料中，形成氮摻雜碳材料(Adv.Mater,2017,29,1603692)。氮原子的引入，增加了電子轉(zhuǎn)移和更多的鋰離子儲(chǔ)存與接觸位點(diǎn)，從而提高了碳材料的比容量和倍率性能。氮源的選擇有很多種，有氨氣、尿素及含氮的有機(jī)物等，但是大部分氮源有毒、不環(huán)保或者成本較高。因此，開發(fā)一種簡(jiǎn)單、有效，且利于規(guī)模化生產(chǎn)的方法，結(jié)合氮摻雜碳的優(yōu)點(diǎn)，將錫納米顆粒并入于氮摻雜碳材料中，從而獲得高首次庫(kù)倫效率、比容量、高倍率和循環(huán)穩(wěn)定性的鋰離子電池負(fù)極材料具有重大意義和實(shí)用價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的主要目的為提供一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料及其制備方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中錫基負(fù)極首次庫(kù)倫效率低以及循環(huán)壽命差的問題。本專利技術(shù)提出一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法，包括以下步驟：將聚乙烯吡咯烷酮按照第一質(zhì)量比例加入無水乙醇中，持續(xù)攪拌，溶解得到溶液；將二水合氯化亞錫按照第二質(zhì)量比例，在指定工藝下加入處于攪拌狀態(tài)的所述溶液中，持續(xù)攪拌，得到混合溶液；向處于攪拌狀態(tài)的所述混合溶液中按照第一摩爾比例加入蒸餾水，持續(xù)攪拌指定時(shí)間，得到前驅(qū)體分散液；將所述前驅(qū)體分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工藝烘干，得到前驅(qū)體；將所述前驅(qū)體在惰性氣氛下以指定熱處理工藝進(jìn)行熱處理，得到所述納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料。進(jìn)一步地，所述第一質(zhì)量比例包括：所述聚乙烯吡咯烷酮與所述無水乙醇的質(zhì)量比包括0.015～0.15。進(jìn)一步地，所述第二質(zhì)量比例包括：所述二水合氯化亞錫與所述聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比包括0.040～0.362。進(jìn)一步地，所述第一摩爾比例包括：所述蒸餾水與所述二水合氯化亞錫的摩爾比包括5～20。進(jìn)一步地，所述持續(xù)攪拌指定時(shí)間指持續(xù)攪拌時(shí)間包括0.5～8h。進(jìn)一步地，所述指定烘干工藝包括：烘干溫度包括40℃～80℃，烘干時(shí)間包括8h～24h。進(jìn)一步地，所述指定熱處理工藝包括：所述熱處理的升溫速率為1℃/min～8℃/min，恒溫煅燒溫度為600℃～1000℃，恒溫保持時(shí)間為2h～10h。進(jìn)一步地，所述惰性氣氛為氬氣或氮?dú)狻１緦＠夹g(shù)還提出了一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料，采用上述任一項(xiàng)所述的一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法制成。進(jìn)一步地，所述納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料中錫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)包括為5％～50％，氮與碳的原子比范圍包括2.7:97.3～7.2:92.8。本專利技術(shù)的有益效果：本專利技術(shù)的制備方法工藝簡(jiǎn)單，成本較低，適合大批量生產(chǎn)。本專利技術(shù)所選碳材料的前驅(qū)體為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，便宜無毒，它既是碳源又是氮源；利用二水合氯化亞錫在PVP溶液中的原位水解生長(zhǎng)來控制納米顆粒的生長(zhǎng)；經(jīng)過隨后的熱處理，得到了納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料。本專利技術(shù)的納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料，納米錫均勻地分散在氮摻雜碳材料中，氮摻雜碳材料不僅提高了導(dǎo)電性而且緩解了錫在鋰化/去鋰化過程中的體積膨脹、團(tuán)聚效應(yīng)。本專利技術(shù)的納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料具有較高的首次庫(kù)倫效率、比容量、倍率性能和容量保持率，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。附圖說明圖1是本專利技術(shù)一實(shí)施例中納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法流程示意圖；圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例1中的納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的XRD圖；圖3是本專利技術(shù)實(shí)施例3中的納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的TEM圖；圖4是本專利技術(shù)實(shí)施例3中的納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的循環(huán)性能圖(圓點(diǎn)表示放電比容量，方點(diǎn)表示充電比容量)；圖5是本專利技術(shù)實(shí)施例3中的納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的倍率性能圖(圓點(diǎn)表示放電比容量，方點(diǎn)表示充電比容量)；圖6是本專利技術(shù)對(duì)比例1中的錫負(fù)極材料的循環(huán)性能圖(圓點(diǎn)表示放電比容量，方點(diǎn)表示充電比容量)。本專利技術(shù)目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說明。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本專利技術(shù)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本專利技術(shù)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本專利技術(shù)的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本專利技術(shù)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本專利技術(shù)保護(hù)的范圍。參照?qǐng)D1，本專利技術(shù)實(shí)施例提出了一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：將聚乙烯吡咯烷酮按照第一質(zhì)量比例加入無水乙醇中，持續(xù)攪拌，溶解得到溶液；S2：將二水合氯化亞錫按照第二質(zhì)量比例，在指定工藝下加入處于攪拌狀態(tài)的所述溶液中，持續(xù)攪拌，得到混合溶液；S3：向處于攪拌狀態(tài)的所述混合溶液中按照第一摩爾比例加入蒸餾水，持續(xù)攪拌指定時(shí)間，得到前驅(qū)體分散液；S4：將所述前驅(qū)體分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工藝烘干，得到前驅(qū)體；S5：將所述前驅(qū)體在惰性氣氛下以指定熱處理工藝進(jìn)行熱處理，得到所述納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料。本專利技術(shù)實(shí)施例的碳材料的前驅(qū)體為聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，分子式為(C6H9NO)n，既是碳源又是氮源。本專利技術(shù)實(shí)施例的二水合氯化亞錫，分子式為SnCl2·2H2O，是反應(yīng)的錫源。步驟S2將SnCl2·2H2O加入步驟S1的溶液中，SnCl2·2H2O均勻地分散在PVP高分子鏈段周圍，利于后續(xù)納米顆粒的均勻生長(zhǎng)。本專利技術(shù)實(shí)施例步驟S3在混合溶液中加入蒸餾水后，水會(huì)與此前均勻分布在PVP周圍的SnCl2·2H2O發(fā)生分解反應(yīng)，形成新核且進(jìn)一步生長(zhǎng)得到納米級(jí)別的分解產(chǎn)物。步驟S3利用PVP溶液以及錫源的原位水解生長(zhǎng)來控制納米顆粒的生長(zhǎng)。本專利技術(shù)實(shí)施例步驟S4，將前驅(qū)體分散液中的水、乙醇烘干，得到本專利技術(shù)實(shí)施例的前驅(qū)體。本專利技術(shù)實(shí)施例步驟S5，經(jīng)過熱處理過程，得到納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料。本專利技術(shù)實(shí)施例中納米錫均勻地分散在氮摻雜碳材料中，氮摻雜碳材料不僅提高了材料的導(dǎo)電性，而且緩解了錫在鋰化/去鋰化過程中的體積膨脹和團(tuán)聚效應(yīng)。本專利技術(shù)實(shí)施例采用原位生長(zhǎng)包覆法本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：將聚乙烯吡咯烷酮按照第一質(zhì)量比例加入無水乙醇中，持續(xù)攪拌，溶解得到溶液；將二水合氯化亞錫按照第二質(zhì)量比例，在指定工藝下加入處于攪拌狀態(tài)的所述溶液中，持續(xù)攪拌，得到混合溶液；向處于攪拌狀態(tài)的所述混合溶液中按照第一摩爾比例加入蒸餾水，持續(xù)攪拌指定時(shí)間，得到前驅(qū)體分散液；將所述前驅(qū)體分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工藝烘干，得到前驅(qū)體；將所述前驅(qū)體在惰性氣氛下以指定熱處理工藝進(jìn)行熱處理，得到所述納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：將聚乙烯吡咯烷酮按照第一質(zhì)量比例加入無水乙醇中，持續(xù)攪拌，溶解得到溶液；將二水合氯化亞錫按照第二質(zhì)量比例，在指定工藝下加入處于攪拌狀態(tài)的所述溶液中，持續(xù)攪拌，得到混合溶液；向處于攪拌狀態(tài)的所述混合溶液中按照第一摩爾比例加入蒸餾水，持續(xù)攪拌指定時(shí)間，得到前驅(qū)體分散液；將所述前驅(qū)體分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工藝烘干，得到前驅(qū)體；將所述前驅(qū)體在惰性氣氛下以指定熱處理工藝進(jìn)行熱處理，得到所述納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料。2.如權(quán)利要求1所述的一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，所述第一質(zhì)量比例包括：所述聚乙烯吡咯烷酮與所述無水乙醇的質(zhì)量比包括0.015～0.15。3.如權(quán)利要求1所述的一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，所述第二質(zhì)量比例包括：所述二水合氯化亞錫與所述聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比包括0.040～0.362。4.如權(quán)利要求1所述的一種納米錫修飾的氮摻雜碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，所述第一摩爾比例包括：所述蒸餾水與所述二水合...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉鵬，褚春波，張耀，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：欣旺達(dá)電子股份有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：廣東,44