CN102623669A

CN102623669A - 一种碳锡纳米复合粉体的制备方法与应用

Info

Publication number: CN102623669A
Application number: CN2012100942456A
Authority: CN
Inventors: 董星龙; 刘春静; 黄昊; 薛方红; 全燮
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2012-08-01

Abstract

一种锂离子电池负极材料碳锡纳米复合粉体的制备方法属于纳米材料制备技术与应用领域。本发明的技术解决方案是，利用自动控制直流电弧等离子体设备，将块体金属锡或微米级锡粉压制成块并作为阳极，石墨棒作为阴极，通入一定比例的含碳气体、活性气体和惰性气体，蒸发块体靶材后获得碳包覆锡纳米复合粒子。以此粉体材料作为活性物质，制作锂离子电池负电极，其首次可逆比容量达620mAh/g。本发明的优点在于以原位合成的碳包覆锡纳米粒子为多壁碳纳米管部分填充金属锡的结构，此材料作为锂离子电池负极材料，具有较高的嵌/脱锂容量密度和循环稳定性，并且原料成本低廉，工艺简单，可规模化制备，适合工业化生产要求。

Description

一种碳锡纳米复合粉体的制备方法与应用

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术及锂离子电池应用领域，是一种碳锡纳米复合材料的制备方法，涉及在锂离子电池负极材料中的应用。

背景技术

锂离子电池是目前世界上公认的理想化学电源，具有体积小、电容量大、电压高等优点，被广泛应用于通信设备、电子产品、运载工具等领域。目前商业化锂离子电池负极材料大多采用石墨体系，石墨与锂离子结合可形成LiC₆，其理论能量密度为372mAh/g。单纯改进工艺无法满足日益提高的能量密度需求，因此寻找具有更高储锂容量的负极材料已成为锂离子电池负极材料研究的热点。金属锡能与锂形成Li₂₂Sn₅合金，其理论比容量可达993mAh/g，体积比容量高达7200Ah/L，是一种很有潜力的锂离子电池负极材料。但是由于金属锡材料在嵌/脱锂过程中体积变化较大，可达原体积的300％，易产生碎裂或粉化，从而使材料失效，导致电极循环稳定性能降低。为了抑制锡电极在循环过程中的体积变化，可以引入过渡金属形成锡合金Sn-M(M＝Fe，Co，Ni，Cu等)，或采用与碳结合形成复合材料等，这些合金和碳复合材料均能有效缓解活性物质锡在充放电过程中的体积膨胀问题。另外一种抑制体膨胀的方法就是实现材料的纳米化，不仅可以减小嵌/脱锂过程的体积变化，且可以缩短锂离子的扩散路径。

目前已出现多种制备碳/锡纳米复合材料的方法，如化学气相沉积法、化学还原法、球磨法等。碳/锡纳米复合材料具有多种不同的形式，如碳纳米管、碳球、碳纳米纤维等与锡的复合结构。这些对锡的表面包覆改性方法，明显提高了锂离子电池负极材料在充放电过程中的循环性能。专利CN1806966A公开了一种用化学气相法合成碳包覆纳米线的制备方法，该方法以氧化锡作为催化剂，放入温度为500～1000℃的固定床气体连续流动反应炉中，通入乙炔、氩气或氮气。其中催化剂氧化锡用沉淀法获得。此种方法成本低，产量高，但是制备过程较复杂、耗时，得到的碳包覆锡纳米线直径分布范围较大。专利CN102208606A公开了一种利用碳热还原法合成锡碳纳米复合电极材料的方法。此种方法以氧化锡作为锡源，以苯酚和甲醛溶液制备的酚醛树脂作为有机碳源制备碳锡复合材料。该方法制备的碳锡纳米复合材料颗粒尺寸均匀，约20～30nm，但是制备过程中缺乏安全性，首次不可逆容量较大，首次循环效率仅为41.8％。专利CN102185135A公开了另外一种制备锡碳复合材料的方法，采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨的方法，将锡和石墨粉末原料进行球磨，得到锡碳复合材料。该方法可以有效提高球磨效率，保持石墨的层片状完整性，提高首次可逆容量和循环寿命，但是该方法能量利用率较低、耗时较长，不利于节能和大规模制备，并且锡和碳的结合力有限。本发明采用直流电弧等离子体蒸发法，合成碳包覆锡纳米复合材料，这种材料具有可逆比容量高、纯度高、制备工艺可控、可实现量产等特点。

中国授权专利：自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备(ZL20040021190.1)，其设备由依次连接的粉体生成室、粉体粒度分级室、粉体捕集室、粉体处理室、抽真空系统、气体循环泵、液压传动系统、水冷系统、编程控制系统构成；粉体生成室中安装阳极和阴极，并穿过粉体生成室壁与外部液压传动和编程控制系统连接；粉体粒度分级室为双壁水冷外壳与液氮冷却罐构成；液压传动系统由控制阴极维移动和阳极维移动的液压罐和传动杆构成。该设备将物料装入阳极并成为阳极的一部分，与阴极形成10～30mm的间隙，整体设备抽真空，通冷却水。通入活性气体和冷凝气体后，启动起弧器和电源，在阴、阳电极间形成电弧，物料开始蒸发并形成纳米粉体颗粒。该设备可以实现石墨烯的大量生产。

综上所说，利用自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备制备碳包覆纳米材料具有工艺简单、宏量制备以及利于工业化生产等优点。以制备的纳米粉体作为锂粒子电池负极材料可以获得高比容量、高循环寿命等优异性能。

发明内容

本发明提供了一种新型锂离子电池负极材料即碳包锡纳米复合材料的制备方法及应用。该方法所制备的材料具有碳纳米管部分填充锡的纳米结构，以此作为活性物质制作的锂离子电池负电极具有可逆比容量620mAh/g，其独特的微观结构有效降低了嵌/脱锂过程中的体积膨胀。

本发明的技术解决方案的具体步骤为：

(1)利用自动控制直流电弧等离子体设备，将块体金属锡或将微米级锡粉体在25MPa的压力下压制成块，作为阳极，石墨棒作为阴极，两极间距在10～30mm；将电弧炉反应室内抽真空至约10^-2Pa后，通入比例1∶0.5～1∶2的含碳气体和惰性气体，蒸发块体靶材后获得碳包覆锡纳米复合粒子。

(2)将由步骤(1)获得纳米粉体与粘接剂聚四氟乙烯、导电剂炭黑均匀混合，制成电极，并与LiPF₆电解液、金属锂片组装成电池，测试相关性能。

步骤(1)所述的含碳反应气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯、丙炔、丙烷、丁烷、丁烯的一种或几种。

步骤(1)所述的惰性气体为氩气、氦气、氖气的一种或几种。

上述方法制作的碳锡纳米复合粉体的应用，可以按如下方法制备电池：按质量比80％的碳包覆锡纳米复合材料、10％的炭黑和10％的聚四氟乙烯粘结剂组成锂离子负极极片，电解液为1mol/L的LiPF₆溶液，对电极为锂片。

本发明通过直流电弧等离子蒸发法原位合成碳包覆锡纳米复合材料，该种材料为碳纳米管部分填充锡的纳米结构，作为锂离子电池负极材料具有很高的可逆储锂容量，同时具有较好的循环稳定性能。本制备方法具有成本低廉、操作步骤简单、产品纯度高、安全无污染、有利于产业化等优点。

附图说明

图1是按实施例三所合成的碳包覆锡纳米复合材料的XRD图谱。

图2是按实施例三所合成的碳包覆锡纳米复合材料的TEM图，图像标尺为200nm。

图3是按实施例三所合成的碳包覆锡纳米复合材料的TEM图，图像标尺为5nm。

图4是按照实施例三所合成的碳包覆锡纳米复合材料电极，在0.2mA/cm²电流密度下测得的充放电曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进一步说明。

实施例一：

将80g锡微米粉压制成块体靶材，将此放置在自动控制直流电弧氢等离子体设备中作为阳极，碳棒作为阴极，通入比例为1∶0.5的甲烷和氩气的混合气体，蒸发快体靶材，经过冷凝、钝化等工艺步骤获得碳包覆锡纳米复合粉体材料。

按质量比将上述80％的碳锡纳米复合粉体、10％炭黑和10％的聚四氟乙烯粘结剂均匀混合制作成电极片，与1mol/L的LiPF₆溶液电解液、以及金属锂片在手套箱内组装成纽扣电池。在电流密度0.2mA/cm²及电压2～0.01V范围内进行测试。测得该种碳锡纳米复合粉体的首次可逆比容量为560mAh/g。

实施例二：

实施步骤与实施例一基本相同，不同的是混合气氛中甲烷和氩气比例为1∶1；将获得的这种碳包覆锡纳米复合粉体制作成电极片并进行测试，测得首次可逆比容量为310mAh/g。

实施例三：

实施步骤与实施例一基本相同，不同的是混合气氛中甲烷和氩气比例为1∶2；将获得的这种碳包覆锡纳米复合粉体制作成电极片并进行测试，测得首次可逆比容量为620mAh/g。

实施例三得到碳包覆锡纳米复合粉体的XRD图如图1所示。图中显示该复合材料的主相为金属锡。

实施例三得到碳包覆锡纳米复合粉体的TEM图如图2所示。图中显示该复合材料的微观结构为碳纳米管部分填充金属锡。

实施例三得到碳包覆锡纳米复合粉体的TEM图如图3所示。图中显示该复合材料中碳纳米管为多壁碳纳米管。

实施例三得到碳包覆锡纳米复合粉体，将此制成锂离子电池负电极，在0.2mA/cm²电流密度下的充放电曲线如图4所示。图中显示其首次可逆比容量为620mAh/g。

Claims

1.一种碳锡纳米复合粉体的制备方法，其特征包括如下步骤：

(1)利用自动控制直流电弧等离子体设备，将块体金属锡或将微米级锡粉体在25MPa的压力下压制成块，作为阳极，石墨棒作为阴极，两极间距在10～30mm；将电弧炉反应室内抽真空至约10^-2Pa后，通入比例1∶0.5～1∶2的含碳气体和惰性气体，蒸发块体靶材后获得碳包覆锡纳米复合粒子；

(2)将由步骤(1)获得纳米粉体与粘接剂聚四氟乙烯、导电剂炭黑均匀混合，制成锂离子电池负极材料碳锡纳米复合粉体。

2.如权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，含碳气体为甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、丙烯、丙炔、丙烷、丁烷、丁烯的一种或几种。

3.如权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，惰性气体为氩气、氦气、氖气的一种或几种合。

4.权利要求1或2或3的制备方法制作的碳锡纳米复合粉体的应用，其特征在于，按质量比80％的碳包覆锡纳米复合材料、10％的炭黑和10％的聚四氟乙烯粘结剂组成锂离子负极极片；电解液为1mol/L的LiPF₆溶液，对电极为锂片。