CN103325998B - 柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料及其制备方法，属于电化学电源制备领域，主要提高负极材料的充放电容量和循环稳定性，适用于便携式电池和动力电源负极材料。首先选用导电碳布材料作为柔性基底，用离子溅射仪在碳布基底上溅射2~3nm？Au；然后在溅射Au的碳布基底上气相生长SnO2纳米线；最后在SnO2纳米线表面用等离子增强气相沉积一层10-20nm厚的Si，获得柔性SnO2/Si复合锂离子负极材料。该方法采用柔性碳布基底，可弯曲、可折叠，无需任何粘结剂，机械力学性能好，提高了电池充放电容量（>1000？mAh？g-1），循环稳定性好。

Description

柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学电源制备领域，特别涉及一种柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料制备方法，主要提高负极材料的充放电容量和循环稳定性，适用于便携式电池和动力电源负极材料。
背景技术
随着动力电池的发展，锂离子动力电池充放电速度快，循环寿命长，负载性能好，工作电压高等优点，逐渐成为主流产品，已广泛应用于各种便携式电子器件电源和动力电源。锂离子电池负极材料作为提高电池能量及循环寿命的重要因素，受到了广泛研究。锂离子电池负极材料主要有碳基材料，锡基材料，和硅基材料等，其中商业应用比较广泛的是碳基材料，由于其安全性和循环稳定性，但是受限于充放电容量低，~300mAh/g。为了进一步提高锂电池的容量，研究的目光纷纷转向锡基和Si基材料，SnO2和Si材料的理论电池容量分别为781mAhg-1和4200mAhg-1，是两种比较有前途的锂电池负极材料。在嵌锂/脱锂过程中，材料容积的巨大变化，导致材料粉末化严重，引起Si和SnO2电极材料循环性能较差。
大量研究表明通过纳米结构设计可以大大改善Si电极的循环寿命。此外，柔性锂离子电池在柔性电子器件领域具有重要的应用。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，公开一种柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料制备方法，该方法采用柔性碳布基底，可弯曲、可折叠，无需任何粘结剂，机械力学性能好，提高了电池充放电容量（>1000mAhg-1），循环稳定性好。
为实现上述目的，本发明给出的技术方案为：
一种柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，该方法的工艺过程是：首先选用导电碳布材料作为柔性基底，用离子溅射仪在碳布基底上溅射2~3nmAu；然后在溅射Au的碳布基底上气相生长SnO2纳米线；最后在SnO2纳米线表面用等离子增强气相沉积一层10-20nm厚的Si，获得柔性SnO2/Si复合锂离子负极材料。
本发明进一步需要保护由上述方法获得的柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料,其特征在于,其材料结构表征为:采用三维分级结构设计,柔性的导电碳布作为基底,SnO2纳米线作为中间层,所述中间层作为骨架用以支撑顶层的Si薄膜,从而形成三维SnO2Si核-壳/碳布分级结构。
本发明通过纳米结构设计，柔性碳布基底上制备三维SnO2Si核-壳结构纳米线锂电池负极材料，改善电池负极材料的充放电容量和循环寿命。与现有技术相比，本发明技术方案的创新点及带来的有益效果具体表现为：
1.采用碳布材料设计了一种柔性锂电池负极，可弯曲，折叠。
2.采用SnO2纳米线作为骨架材料支撑Si薄膜，改善Si的循环性能，提高了电池充放电容量。
3.三维分级结构设计，具有高比表面积，提高电池容量和能量密度。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步说明。
图1为实施例1中实施步骤过程中获得的三维SnO2纳米线/碳布分级结构扫描电镜图片（a、b为不同的放大比例）。
图2为实施例1最终后获得的SnO2Si核壳结构纳米高分辨透射电镜图片。
图3.为实施例1最终后获得的SnO2Si/碳布电极前三次充放电曲线。
图4为实施例1最终后获得的SnO2Si/碳布电极循环稳定性。
具体实施方式
实施例1
一种柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料的制备方法，
1、首先选用一片1.5*3cm2大小导电碳布材料作为柔性基底，其特征是选用碳布基底，由高导电碳纤维编织而成，电导率<5mΩ*cm2。
2、利用离子溅射方法在碳布基底上沉积2-3nmAu作为催化剂，沉积时间150s。
3、在碳布基底上生长SnO2纳米线，具体过程：将0.1g99.99%的Sn粉和溅射Au的碳布基底放入石英舟中，然后将石英舟载入直径40cm的化学气相沉积装置的石英管中，抽真空，程序控制炉子升温到800°C，保温40分钟，其中通99.5%Ar和0.5%O2的混合气，气流30sscm，反应腔压强控制约5mbar，其特征Sn粉作为反应源，利用Au辅助催化生长SnO2纳米线，如附图1所示。
图1是三维SnO2纳米线/碳布分级结构扫描电镜图片，通过FEISirion200场发射电子扫描电镜，5Kev加速电压下测得，如图所示，SnO2纳米线均匀分布在每根碳纤维表面，直径80-100nm，长约数十微米，形成三维分级结构。
4、将生长SnO2纳米线的碳布基底放入等离子增强化学气相沉积系统反应腔内，在纳米线表面沉积涂覆一层Si，SiH4气做反应前躯体（4sccm），H2做载流气和保护性气氛（40sccm），沉积温度220°C，工作压强40Pa，产生等离子体功率20W，其特征沉积的Si为无定型Si，如图2所示。
图2是SnO2Si核壳结构纳米高分辨透射电镜图片，通过JEM2010F透射电镜，加速电压200Kev测得，表明其核-壳结构，SnO2是单晶结构，Si为无定型态。
本实施例通过纳米结构设计，柔性碳布基底上制备三维SnO2Si核-壳结构纳米线锂电池负极材料，改善电池负极材料的充放电容量和循环寿命，如图3、图4所示的SnO2Si/碳布电极前三次充放电和循环稳定性测试。采用本实施例获得的SnO2Si/碳布作为阳极，锂片作为阴极材料，聚丙烯膜为隔膜，溶于碳酸次乙酯和碳酸二乙酯中(体积比1:1)的1MLiPF6为电解液，充放电测试在LandCT2001A电池测试系统下完成，测试电压范围0.01-3V，测试温度室温，测试电流密度200mAhg-1。首次放电容量约1300mAhg-1，是现有技术碳材料电极的容量的4倍左右，初步循环稳定性测试，50次循环后，容量保持65%左右。

Claims (2)

1.一种柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，首先选用导电碳布材料作为柔性基底，用离子溅射仪在碳布基底上溅射2～3nmAu；然后在溅射Au的碳布基底上气相生长SnO2纳米线；最后在SnO2纳米线表面用等离子增强化学气相沉积一层10-20nm厚的Si，获得柔性SnO2/Si复合锂离子负极材料。
2.由权利要求1方法获得的柔性纳米SnO2/Si复合物锂离子电池负极材料,其特征在于,其材料结构表征为:采用三维分级结构设计,柔性的导电碳布作为基底,SnO2纳米线作为中间层,所述中间层作为骨架用以支撑顶层的Si薄膜,从而形成三维SnO2Si核-壳/碳布分级结构。
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