CN106299313B - 一种锂离子电极复合纳米材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电极复合纳米材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电极复合纳米材料及其制备方法，首次采用一步水热法实现了SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料的可控合成，其制备方法简单可行，为多元纳米复合物的可控合成提供了一条新的途径，所述纳米材料呈颗粒状，粒径为40～110nm，孔径为20～100nm，孔容为0.8～1.6cm3/g，比表面积为240～360m2/g，振实密度为0.06～0.6g/mL，具有优良的表面特性。另外，本发明三元复合纳米材料结晶性能好，导电性好，安全性能好，将该复合纳米材料应用于锂离子电极材料使用时具有优异的性能，具有高的充放电容量、优异的大电流充放电性能、稳定的循环性能。

Description

一种锂离子电极复合纳米材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料应用技术领域，具体涉及一种SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料及其制备方法。
背景技术
对纳米材料的研究是当今科学研究中一个前沿领域，也是全世界许多科学工作者研究的热点。纳米材料的神奇之处和还不为人们所识的方面更是引起了人们的广泛关注；对纳米材料进行制备的研究和应用更是目前的热点和难点，也是发展高科技的重点。
纳米材料是指尺寸范围为1～100nm的材料。粒径小于100nm以后，离子的表面原子数与其体内原子数可比。这种性质导致了纳米材料出现了不同于传统体相材料的小尺寸、大表面和量子隧道等效应所引发的结构和能态的变化，产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特性。例如贵金属纳米颗粒具有特殊的物理性质，它们被广泛应用于催化、生物标记、光电子学、信息存储和表面增强拉曼散射等领域。这些特殊性能使其在光电子、微电子、纳电子器件制备、高性能催化剂、生物领域具有着广泛的应用前景。也正是由于这些潜在的应用价值，人量的研究费用都已经投入到纳米材料的研发中，目的是为了寻找合成纳米材料的新的方法以及开发出具有优异性能的纳米材料。
由于一维材料与块体材料相比具有独特的物理与化学性能得到了世人的广泛关注，过去的几年中，ZnO、SnO2、In2O3、Ga2O3、V2O5、TiO2等过渡金属氧化物的一维纳米材料得到了广泛的研究，并在半导体制备、光催化材料制备、光电转换材料、新能源材料等诸多领域中得到了广泛的应用，在我们的生活中已经扮演者越来越重要的角色。
单晶一维材料由于具有一维材料的独特性质从而具有优良的性能，但有时单晶材料仍有其自身的缺陷，从而促使现在的研究学者进一步研究在合成一维纳米材料的基础上对其进行掺杂、包覆、改性，从而在制备一维材料的基础上可以制备出不同形貌的复合材料，这些复合材料既具有一维材料的特性，又具有掺杂物质的优点，从而扩展了一维材料的应用前景，增强了一维纳米复合材料的性能。所以合成具有独特形貌、高性能、高效率的新型一维纳米复合材料成为了研究学者们的研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合纳米材料，具体涉及一种SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料及其制备方法。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种复合纳米材料，所述复合纳米材料的组成为：SnO2/碳/石墨烯，所述纳米材料呈颗粒状，粒径为40～110nm，孔径为20～100nm，孔容为0.8～1.6cm3/g，比表面积为240～360m2/g，振实密度为0.06～0.6g/mL；
其中，所述复合纳米材料采用一步水热的方法制得，所述制备方法包括如下步骤：首先，称取8～12g的SnCl4·5H2O加入到40～60ml的无水乙醇和水的混合溶剂中配制溶液A；然后往溶液A中加入15～25g碳源和5～10g的氧化石墨纳米片，并于室温下超声处理1～2h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜中并向反应釜中加入一定量0.5mol/L的NaOH溶液，之后将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度160～200℃，时间为12～24小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛下，400～500℃焙烧为4～12小时，得SnO2/碳石墨烯复合纳米材料。
其中，所述氧化石墨纳米片的制备方法为：在0℃冰浴下，将0.015～0.072g石墨粉分散到20～25mL浓硫酸中，搅拌下加入KMnO4，所加KMnO4的质量是石墨粉的3～4倍，搅拌30～60分钟，温度上升至30～35℃，加入40～50ml去离子水，搅拌20～30分钟，加入10～15ml质量浓度30％的H2O2，搅拌5～20分钟，经过离心分离，用质量浓度5％的HCl溶液、去离子水和丙酮反复洗涤后得到氧化石墨纳米片。
所述碳源为葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂和间苯二酚的一种或多种。
所述NaOH的用量按照nSnCl4·5H2O/nNaOH＝4的比例进行加入。
所述无水乙醇/水的混合溶剂中无水乙醇与水的体积比为2：1。
所述惰性气氛为氮气或氩气。
另外，本发明还要求保护该SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料在锂离子电池或超级电容器中的应用。。
本发明的技术效果为：本发明首次采用一步水热法实现了SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料的可控合成，其制备方法简单可行，为多元纳米复合物的可控合成提供了一条新的途径，并且本发明得到的材料呈现颗粒状，粒径为40～110nm，孔径为20～100nm，孔容为0.8～1.6cm3/g，比表面积为240～360m2/g，振实密度为0.06～0.6g/mL，具有优良的表面特性。另外，将该复合纳米材料应用于锂离子电极材料使用时具有优异的性能，对比现有技术中一元或二元纳米材料作为锂离子电池材料，本发明三元复合纳米材料结晶性能好，导电性好，安全性能好，具有快的锂离子扩散速度和高的电子电导率，具有高的充放电容量、优异的大电流充放电性能、稳定的循环性能。并且本发明提供的复合纳米材料特别适合于制备锂离子动力电池，也可用于超级电容器中的电极材料。
附图说明
图1为本发明实施例3复合纳米材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述：
实施例1
一种复合纳米材料，所述复合纳米材料的组成为：SnO2/碳/石墨烯，所述纳米材料呈颗粒状，粒径为40nm，孔径为30nm，孔容为0.9cm3/g，比表面积为30m2/g，0振实密度为0.16g/mL；
其中，所述复合纳米材料采用一步水热的方法制得，所述制备方法包括如下步骤：首先，称取8g的SnCl4·5H2O加入到40ml的无水乙醇和水的混合溶剂中配制溶液A；然后往溶液A中加入15g碳源葡萄糖和5g的氧化石墨纳米片，并于室温下超声处理1h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜中并向反应釜中加入一定量0.5mol/L的NaOH溶液，之后将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度160℃，时间为12小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛氮气下，400℃焙烧为4小时，得SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料；
所述NaOH的用量按照nSnCl4·5H20/nNaOH＝4的比例进行加入；所述无水乙醇/水的混合溶剂中无水乙醇与水的体积比为2：1。
实施例2
一种复合纳米材料，所述复合纳米材料的组成为：SnO2/碳/石墨烯，所述纳米材料呈颗粒状，粒径为80nm，孔径为60nm，孔容为1.2cm3/g，比表面积为290m2/g，振实密度为0.28g/mL；
其中，所述复合纳米材料采用一步水热的方法制得，所述制备方法包括如下步骤：首先，称取12g的SnCl4·5H2O加入到60ml的无水乙醇和水的混合溶剂中配制溶液A；然后往溶液A中加入25g碳源蔗糖和10g的氧化石墨纳米片，并于室温下超声处理2h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜中并向反应釜中加入一定量0.5mol/L的NaOH溶液，之后将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度200℃，时间为24小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛氩气下，500℃焙烧为12小时，得SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料；
所述NaOH的用量按照nSnCl4·5H20/nNaOH＝4的比例进行加入；所述无水乙醇/水的混合溶剂中无水乙醇与水的体积比为2：1。
实施例3
一种复合纳米材料，所述复合纳米材料的组成为：SnO2/碳/石墨烯，所述纳米材料呈颗粒状，粒径为80nm，孔径为100nm，孔容为1.4cm3/g，比表面积为320m2/g，振实密度为0.4g/mL；
其中，所述复合纳米材料采用一步水热的方法制得，所述制备方法包括如下步骤：首先，称取10g的SnCl4·5H2O加入到50ml的无水乙醇和水的混合溶剂中配制溶液A；然后往溶液A中加入20g碳源酚醛树脂和8g的氧化石墨纳米片，并于室温下超声处理1.5h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜中并向反应釜中加入一定量0.5mol/L的NaOH溶液，之后将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度180℃，时间为18小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛氮气下，450℃焙烧为8小时，得SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料；
所述NaOH的用量按照nSnCl4·5H20/nNaOH＝4的比例进行加入；所述无水乙醇/水的混合溶剂中无水乙醇与水的体积比为2：1。
实施例4
一种复合纳米材料，所述复合纳米材料的组成为：SnO2/碳/石墨烯，所述纳米材料呈颗粒状，粒径为70nm，孔径为50nm，孔容为1.6cm3/g，比表面积为360m2/g，振实密度为0.5g/mL；
其中，所述复合纳米材料采用一步水热的方法制得，所述制备方法包括如下步骤：首先，称取9g的SnCl4·5H2O加入到55ml的无水乙醇和水的混合溶剂中配制溶液A；然后往溶液A中加入18g碳源间苯二酚和7g的氧化石墨纳米片，并于室温下超声处理1.2h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜中并向反应釜中加入一定量0.5mol/L的NaOH溶液，之后将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度170℃，时间为16小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛氩气下，460℃焙烧为10小时，得SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料；
所述NaOH的用量按照nSnCl4·5H20/nNaOH＝4的比例进行加入；所述无水乙醇/水的混合溶剂中无水乙醇与水的体积比为2：1。
实施例5
将实施例3所得SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料作为电池负极材料进行应用测试。
将实施例3制备的SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料用作锂离子电池负极材料，采用涂布法制备电极，将原料按质量比SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料：乙炔黑：CMC＝60：18：13的比例混合，以水为溶剂，制成负极浆料，涂在铜箔上，经充分干燥压片后切片得到直径为11mm的负极片。电池负极片用锂片。在惰性气体保护的手套箱中，以l.3mol/L的LiPF6/EC/DMC/DEC(1:1:1)为电解液，Celgerd2300为隔膜，组装成2320型扣式电池。测试仪器：充放电仪(Land)；Bruker D8-X射线衍射仪。在蓝电测试仪上进行SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料电池充放电性能测试，充放电条件：在0.02-3.0电压范围内，电流密度为100mA/g时，SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料初始放电容量分别为1273和1108mAh/g，经50圈循环后可分别稳定在810和654mAh/g。在不同的电流密度下对材料进行倍率性能测试，SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料均表现出了非常好的可逆性、稳定性和回复性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合纳米材料，其特征在于，所述复合纳米材料的组成为：SnO2/碳/石墨烯，所述纳米材料呈颗粒状，粒径为40～110nm，孔径为20～100nm，孔容为0.8～1.6cm3/g，比表面积为240～360m2/g，振实密度为0.06～0.6g/mL；
其中，所述复合纳米材料采用一步水热的方法制得，所述制备方法包括如下步骤：首先，称取8～12g的SnCl4·5H2O加入到40～60mL的无水乙醇和水的混合溶剂中配制溶液A；然后往溶液A中加入15～25g碳源和5～10g的氧化石墨纳米片，并于室温下超声处理1～2h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜中并向反应釜中加入一定量0.5mol/L的NaOH溶液，之后将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度160～200℃，时间为12～24小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛下，400～500℃焙烧为4～12小时，得SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料；
所述氧化石墨纳米片的制备方法为：在0℃冰浴下，将0.015～0.072g石墨粉分散到20～25mL浓硫酸中，搅拌下加入KMnO4，所加KMnO4的质量是石墨粉的3～4倍，搅拌30～60分钟，温度上升至30～35℃，加入40～50mL去离子水，搅拌20～30分钟，加入10～15mL质量浓度30％的H2O2，搅拌5～20分钟，经过离心分离，用质量浓度5％的HCl溶液、去离子水和丙酮反复洗涤后得到氧化石墨纳米片。
2.根据权利要求1所述复合纳米材料，其特征在于，所述碳源为葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂和间苯二酚中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述复合纳米材料，其特征在于，所述NaOH的用量按照nSnCl4·5H2O/nNaOH＝4的比例进行加入。
4.根据权利要求1所述复合纳米材料，其特征在于，所述无水乙醇/水的混合溶剂中无水乙醇与水的体积比为2：1。
5.根据权利要求1所述复合纳米材料，其特征在于，所述惰性气氛为氮气或氩气。
6.一种权利要求1-5任一项所述SnO2/碳/石墨烯复合纳米材料在锂离子电池或超级电容器中的应用。
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