CN106058301A - 用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于锂离子电池负极的导电聚合物包覆开孔泡沫锑电极及其制备方法，属于锂离子电池负极材料的改进技术领域。本发明所述的用于锂离子电池负极的导电聚合物包覆开孔泡沫锑电极，开孔泡沫锑为三维网状孔结构，锑为中空纳米颗粒结构，开孔泡沫锑表面包覆导电聚合物纳米薄膜。本发明所述的用于锂离子电池负极的导电聚合物包覆开孔泡沫锑电极，解决了锑为锂离子电池负极材料的体积膨胀问题，改善了电池的循环性能，延长了电池的寿命；本发明同时提供了一种制备方法，工艺简单，周期短，可操作性强。

Description

用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极及其制备方法，属于锂离子电池负极材料的改进技术领域。
背景技术
随着新能源电动汽车的迅速发展与推广，对锂离子电池的容量和寿命提出了更高的要求，传统以石墨为负极的锂离子电池逐渐不能满足其容量要求，因此，开发具有高容量和长寿命的锂离子电池具有重要的研究意义和应用前景，其中新型负极材料的设计与合成是实现这一目标的重要研究内容。
作为锂离子电池负极材料，锡具有高的质量比容量(993mAh/g)，且锡基负极材料的脱嵌锂电位较高，能够避免大电流充放电负极侧锂枝晶的形成，提高电池的安全性。然而锡在充放电过程中由于锡锂合金化引起的大的体积膨胀所产生的内应力会导致锡电极发生粉化和剥落，最终导致材料的循环性能下降，限制了其应用。因此，设计与开发一种具有良好循环稳定性的锡负极材料及其制备方法对于推动高容量锡基锂离子电池的应用具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极，其解决了锡为锂离子电池负极材料的体积膨胀问题，提高了锡负极稳定性，改善了电池的循环性能，延长了电池的寿命；本发明同时提供了一种多孔泡沫金属及其合金材料的制备方法，工艺简单，周期短，可操作性强。
本发明所述的用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极，组成为锡、锡锑、锡锌、锡镁及锡铝合金，结构为三维网状多孔骨架，表面为纳米多孔或纳米松树花结构。
所述三维网状多孔骨架厚度为1-20微米；
所述纳米多孔的单个孔径为50-100nm。
所述纳米松树花的单个纳米花的长度100-500nm。
所述的用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极的制备方法为一步原位化学置换法，包括以下步骤：
S1：配制含有SnCl2、SbCl3的乙醇、乙二醇溶液；
S2：将多孔泡沫Zn、Al或Mg置于乙醇溶液中，超声1h使其网络内部充分润湿；
S3：将S1步骤中的溶液滴加到S2步骤中的多孔金属周围，超声振荡，通氮气反应2h-4h，室温原位置换；
S4：加入1M盐酸室温反应直到没有气泡，酸洗后浸入充氮气的冷水中超声清洗。
所述一步原位化学置换法的反应条件为微米受限空间。
步骤S1中SnCl2的浓度为0.05M-1M，SbCl3的浓度为0.1M-5M。
步骤S2中Zn与SnCl2的浓度比为(1∶1)-(5∶1)，Zn与SbCl3的浓度比为(3∶2)-(9∶2)，Mg与SnCl2的浓度比为(2∶1)-(7∶1)，Mg与SbCl3的浓度比为(5∶2)-(11∶2)；Al与SnCl2的浓度比为(1∶1)-(8∶1)，Al与SbCl3的浓度比为(2∶1)-(5∶1)。
虽然本发明采用常用的电流置换法制备多孔泡沫锡基电极，但分别以多孔泡沫镁、泡沫锌以及泡沫铝为模板，即都是在受限的网状孔微米结构内进行，在网状微米孔内比在基体表面要反应复杂很多；同时，与常规电流置换法制备贵金属微米或纳米结构不同，由于采用的多孔泡沫组成为金属镁、锌与铝，这几种金属电极电位与金属锡及锑的电极电位相近，反应困难、复杂且置换过程不同，工艺条件改变对于上述两个步骤起着至关重要的影响，通过实践证明，只有采用上述的工艺条件才能达到要求。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)利用多孔泡沫锡的孔结构、微观纳米多孔结构或纳米松树花的枝叶结构缓解了锡为锂离子电池负极材料的体积膨胀问题，改善了电池的循环性能，延长了电池的寿命；
(2)在受限的网状微米孔结构内，采用电位相近多孔泡沫金属(镁、锌、铝)作为模板，通过控制电流置换条件原位形成了多孔泡沫锡基合金材料，并可以通过控制反应物比例及置换条件，调控多孔泡沫锡基合金的组成及结构，进而调控锂离子电池容量和寿命；
(3)用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极及其制备方法，制备工艺简单，周期短，可操作性强。
(4)提供了一种多孔泡沫金属及其合金材料的制备方法，工艺简单，周期短，可操作性强。
附图说明
图1是实施例1-3制备的多孔泡沫Sn基电极的循环性能曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但其并不限制本发明的实施。
实施例1
配制浓度分别为0.05M与0.1M的SnCl2和SbCl3的乙醇溶液，超声分散均匀；取尺寸为20mm×20mm×2mm的多孔泡沫Zn置于乙醇溶液中，其中Zn与(SnCl2+SbCl3)的摩尔比为5∶3，超声1h使泡沫内部充分润湿；将SnCl2和SbCl3的乙醇缓慢滴加到多孔泡沫Zn的乙醇溶液中，超声振荡，通氮气反应2h-4h，；然后加入1M盐酸室温反应直到没有气泡，酸洗后浸入充氮 气的冷水中超声清洗，干燥。最后得到产物。将制备的电极用于组装扣式半电池并进行性能测试，在100mA/g的电流密度下，循环100次后，电池可逆容量保持在820mAhg-1。
实施例2
实验条件和操作步骤与实施例1其他相同，改变的条件如下：
配制浓度为0.05M的SnCl2的乙醇溶液，超声分散均匀；取尺寸为20mm×20mm×2mm的多孔泡沫镁置于乙醇溶液中，其中Mg与SnCl2的摩尔比为2∶1，超声1h使泡沫内部充分润湿；将SnCl2溶液缓慢滴加到多孔泡沫Mg的乙醇溶液中，超声振荡，通氮气反应2h-4h，；然后加入1M盐酸室温反应直到没有气泡，酸洗后浸入充氮气的冷水中超声清洗，干燥。最后得到产物。将制备的电极用于组装扣式半电池并进行性能测试，在100mA/g的电流密度下，循环100次后，电池可逆容量保持在770mAhg-1。
实施例3
配制浓度为0.05M的SnCl2的乙醇溶液，超声分散均匀；取尺寸为20mm×20mm×2mm的多孔泡沫Zn置于乙醇溶液中，其中Zn与SnCl2的摩尔比为5∶1，超声1h使泡沫内部充分润湿；将SnCl2溶液缓慢滴加到多孔泡沫Zn的乙醇溶液中，超声振荡，通氮气反应2h-4h，；然后加入1M盐酸室温反应直到没有气泡，酸洗后浸入充氮气的冷水中超声清洗，干燥。最后得到产物。将制备的电极用于组装扣式半电池并进行性能测试，在100mA/g的电流密度下，循环100次后，电池可逆容量保持在680mAhg-1。

Claims (6)

1.一种用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极，其特征在于：组成为锡、锡锑、锡锌、锡镁及锡铝合金，结构为三维网状开孔骨架，骨架厚度为1-20微米，表面为纳米多孔或纳米松树花结构。
2.一种权利要求1所述的用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极，所述纳米多孔的单个孔径为50-100nm，所述纳米松树花的单个纳米花长度100-500nm。
3.一种权利要求1所述的用于锂离子电池负极的多孔泡沫锡基电极的制备方法为一步原位化学置换法，反应条件为微米受限空间。
4.一种权利要求3所述的一步原位化学置换法包括以下步骤：
S1：配制含有SnCl2、SbCl3的乙醇、乙二醇溶液；
S2：将多孔泡沫Zn、Al或Mg置于乙醇溶液中，超声1h使其网络内部充分润湿；
S3：将S1步骤中的溶液滴加到S2步骤中的多孔金属周围，超声振荡，通氮气反应2h-4h，室温原位置换；
S4：加入1M盐酸室温反应直到没有气泡，酸洗后浸入充氮气的冷水中超声清洗。
5.一种权利要求3和4所述的一步原位化学置换法，所述的SnCl2的浓度为0.05M-1M，SbCl3的浓度为0.1M-5M。
6.一种权利要求3和4所述的一步原位化学置换法，所述Zn与SnCl2的浓度比为(1∶1)-(5∶1)，Zn与SbCl3的浓度比为(3∶2)-(9∶2)，Mg与SnCl2的浓度比为(2∶1)-(7∶1)，Mg与SbCl3的浓度比为(5∶2)-(11∶2)；Al与SnCl2的浓度比为(1∶1)-(8∶1)，Al与SbCl3的浓度比为(2∶1)-(5∶1)。
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