CN108878814A - 一种制备锂离子电池负极材料Sn-Co合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备锂离子电池负极材料Sn‑Co合金的方法，以氧化锡和氧化钴为原料，以CoCl2‑LiCl为支持电解质，将氧化锡和氧化钴与支持电解质混合均匀配制混合熔盐电解质；将混合熔盐电解质置于电解槽中，升温融化混合熔盐电解质，以铜片作阴极，铂片作阳极，接通直流电源电解混合熔盐电解质，在阴极上得到Sn‑Co合金，阳极释放O2。通过电解的方法直接制备锂离子电池负极材料Sn‑Co合金，电解过程中可实现Sn‑Co合金的可控制备，可以通过调整电流密度来控制沉积速率，影响沉积颗粒的组成结构和表面形貌，从而得到更致密、粒径更小的Sn‑Co合金。本发明工艺流程短、设备简单、成本低廉，制备的Sn‑Co合金60次充放电循环后容量为659mAh/g，容量保持率为92.5%，库伦效率达到95%。电解过程在阳极产生O2，无污染、绿色环保。

Description

一种制备锂离子电池负极材料Sn-Co合金的方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池负极材料制备方法，更具体地说，本发明涉及一种制备锂离子电池负极材料Sn-Co合金的方法，属于锂离子电池负极材料制备技术领域。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、安全性能好、无毒无污染等优点，广泛用作手机、数码相机、笔记本电脑等电子产品电源。随着锂离子电池的发展，对锂离子电池的性能（如稳定性、比能量、安全性、成本、使用寿命等）要求更高。电极材料对锂离子电池的比容量、循环性能和抗负荷能力有着重要影响，是决定电池性能和成本的关键。
目前，工业化的锂离子电池采用石墨类负极材料，它的理论质量比容量为372mAh/g，不能满足人们日益增长的锂离子电池高比容量需求。锡基合金材料最高质量比容量可达到994mAh/g，接近石墨材料比容量的3倍；体积比容量最高达7262mAh/cm3，接近碳材料的9倍。锡基合金材料具有较高的容量和合适的充放电电位，有望替代碳材料而成为锂离子电池新型负极材料。锡基材料还具有以下特点，对Li+/Li的操作电位为0.05~1.0V，不会造成金属锂的沉积，无安全隐患。从结构上讲，锡基负极材料的晶体结构紧密，充放电过程中不存在溶剂的共嵌入问题，电解液可以使用电导率高的溶剂，从而可提高电池的倍率性能。
锡基合金负极材料的制备方法主要有高能球磨法、化学还原法、碳热还原法、磁控溅射法等。高能球磨法容易引入一些杂质，尤其是引入杂质氧。碳热还原法主要是以碳为还原剂，在高温条件下将金属氧化物还原，碳热还原法设备简单，但碳热还原法合成Sn-Co合金颗粒粒径较大，大倍率下充放电性能不佳。磁控溅射法在锡基合金电极制备中应用普遍，但沉积速率不高，且设备复杂。
发明内容
为了克服上述锂离子电池负极材料Sn-Co合金制备方法的不足，本发明提供一种制备锂离子电池负极材料Sn-Co合金的方法，具有工艺流程短、设备简单、成本低廉等优点，且制备的Sn-Co合金成分均匀、电化学性能稳定。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种制备锂离子电池负极材料Sn-Co合金的方法，包括以下步骤：
（1）以氧化锡和氧化钴为原料，以CoCl2-LiCl为支持电解质，将一定质量的氧化锡和氧化钴与支持电解质混合均匀配制混合熔盐电解质；
（2）将步骤（1）中配制的混合熔盐电解质置于电解槽中，升温融化混合熔盐电解质，以铜片作阴极，铂片作阳极，接通直流电源电解混合熔盐电解质，在阴极上得到Sn-Co合金，阳极释放O2。
在本发明中，步骤（1）中，CoCl2：LiCl摩尔比为0.42~0.66：1。
在本发明中，步骤（1）中，原料氧化钴配入量占混合熔盐电解质的质量百分比为0.5%~3.0%；原料氧化锡配入量占混合熔盐电解质的质量百分比为1.0%~6.0%。
在本发明中，步骤（2）中，因电解质组成不同，电解槽内电解温度为540~560℃，具体温度根据电解质的初晶温度，选择高于电解质初晶温度20~40℃进行电解。
在本发明中，步骤（2）中，阴极铜片规格为3cm×2cm（长×宽），电解前对铜片进行预处理，先用丙酮擦洗铜片除去附着在铜片表面的油脂等有机物，然后用稀盐酸浸泡除去铜片表面的氧化物，用蒸馏水清洗铜片，除去铜片表面的盐酸、氯离子等，干燥后使用。
在本发明中，步骤（2）中，阳极采用3cm×2cm（长×宽）的铂片，采用阴极同样的处理方法对铂片进行预处理。
在本发明中，步骤（2）中，采用恒电流方式电解，控制阴极电流密度为0.2~0.8A/cm2，电解时间为18~24h。
本发明的优点是：通过电解的方法直接制备锂离子电池负极材料Sn-Co合金，电解过程中可实现Sn-Co合金的可控制备，可以通过调整电流密度来控制沉积速率，影响沉积颗粒的组成结构和表面形貌，从而得到更致密、粒径更小的Sn-Co合金。本发明工艺流程短、设备简单、成本低廉，制备的Sn-Co合金60次充放电循环后容量为659mAh/g，容量保持率为92.5%，库伦效率达到95%。电解过程在阳极产生O2，无污染、绿色环保。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
将CoCl2和LiCl按摩尔比为0.42：1混合均匀，向CoCl2-LiCl支持电解质中添加质量分数为0.5%的氧化钴和质量分数为1.0%的氧化锡并混合均匀获得混合熔盐电解质，将混合熔盐电解质置于电解槽中，以铜片作阴极，铂片作阳极，控制阴极电流密度为0.2A/cm2，电解温度为540℃，电解18h后在阴极得到Sn含量为64.5%的Sn-Co合金，阳极产生O2。
实施例2
将CoCl2和LiCl按摩尔比为0.66：1混合均匀，向CoCl2-LiCl支持电解质中添加质量分数为3.0%的氧化钴和质量分数为6.0%的氧化锡并混合均匀获得混合熔盐电解质，将混合熔盐电解质置于电解槽中，以铜片作阴极，铂片作阳极，控制阴极电流密度为0.8A/cm2，电解温度为560℃，电解24h后在阴极得到Sn含量为66.8%的Sn-Co合金，阳极产生O2。
实施例3
将CoCl2和LiCl按摩尔比为0.50：1混合均匀，向CoCl2-LiCl支持电解质中添加质量分数为1.5%的氧化钴和质量分数为3.0%的氧化锡并混合均匀获得混合熔盐电解质，将混合熔盐电解质置于电解槽中，以铜片作阴极，铂片作阳极，控制阴极电流密度为0.5A/cm2，电解温度为550℃，电解22h后在阴极得到Sn含量为65.6%的Sn-Co合金，阳极产生O2。
实施例4
将CoCl2和LiCl按摩尔比为0.58：1混合均匀，向CoCl2-LiCl支持电解质中添加质量分数为2.0%的氧化钴和质量分数为2.0%的氧化锡并混合均匀获得混合熔盐电解质，将混合熔盐电解质置于电解槽中，以铜片作阴极，铂片作阳极，控制阴极电流密度为0.4A/cm2，电解温度为560℃，电解20h后在阴极得到Sn含量为63.7%的Sn-Co合金，阳极产生O2。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种制备锂离子电池负极材料Sn-Co合金的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
（1）以氧化锡和氧化钴为原料，以CoCl2-LiCl为支持电解质，将氧化锡和氧化钴与支持电解质混合均匀配制混合熔盐电解质；
（2）将步骤（1）中配制的混合熔盐电解质置于电解槽中，升温融化混合熔盐电解质，以铜片作阴极，铂片作阳极，接通直流电源电解混合熔盐电解质，在阴极上得到Sn-Co合金，阳极释放O2。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，电解质中CoCl2：LiCl摩尔比为0.42~0.66：1。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，原料氧化钴配入量占混合熔盐电解质的质量百分比为0.5%~3.0%；原料氧化锡配入量占混合熔盐电解质的质量百分比为1.0%~6.0%。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，电解槽内电解温度为540~560℃。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，阴极铜片规格为3cm×2cm（长×宽），电解前对铜片进行预处理，先用丙酮擦洗铜片除去附着在铜片表面的有机物，用稀盐酸浸泡除去铜片表面的氧化物，然后用蒸馏水清洗铜片，除去铜片表面的盐酸，干燥后使用。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，阳极采用3cm×2cm（长×宽）的铂片，采用阴极同样的处理方法对铂片进行预处理。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，采用恒电流方式电解，控制阴极电流密度为0.2~0.8A/cm2，电解时间为18~24h。
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