CN109119630B - 一种铌酸锡纳米晶及其制备方法和在制备锂电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Sn2Nb2O7纳米晶及其制备方法和在制备锂电池中的应用，属于材料制备和锂离子电池材料技术领域。包括以下步骤：1)称取一定量的Nb2O5、SnCl2·2H2O和KOH，然后加入纯水，制成混合溶液；2)将混合溶液加热进行水热反应后冷却，经离心、洗涤、干燥处理，得到Sn2Nb2O7纳米晶。将一定量的Sn2Nb2O7纳米晶、羧甲基纤维素钠和乙炔黑混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，制成锂离子电池的负极。本发明公开的制备Sn2Nb2O7的制备方法工艺简单，制备周期短，成本低廉。使用该方法制得的Sn2Nb2O7纳米晶的结晶性好、纯度高，能够大量合成。使用该Sn2Nb2O7纳米晶作为电池负极的锂离子电池，具有较高的比容量、良好的循环性能和倍率性能。

Description

一种铌酸锡纳米晶及其制备方法和在制备锂电池中的应用
技术领域
本发明属于材料制备和锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种铌酸锡(Sn2Nb2O7)纳米晶及其制备方法和在制备锂电池中的应用。
背景技术
锂离子电池因具有高比容量、快速充放电、循环寿命长和环境污染小等优点，已经广泛应用于电子设备、电动车、混合电动车及国防工业等领域。电极材料是锂离子电池的重要组成部分，同时也是决定锂离子电池性能的关键因素。目前，商业锂离子电池负极材料主要是碳基材料。虽然碳负极材料成本较低，但在充放电循环过程中容易形成锂枝晶引起电池短路，安全性能差。与此同时还存在首次库伦效率低、高温时热失控等缺点，难以满足高性能锂离子电池的发展要求。因此，要实现锂离子电池综合性能的突破，至关重要的“瓶颈”是如何设计和发展新型电极材料。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种Sn2Nb2O7纳米晶及其制备方法和在制备锂电池中的应用，本发明提供的Sn2Nb2O7纳米晶的制备方法工艺简单、制备周期短、成本低廉等优点；同时，制备的Sn2Nb2O7纳米晶具有纯度高、结晶性好、性能优异等特点，可以大量合成；当该Sn2Nb2O7纳米晶作为锂离子电池的负极材料时，制成的电池具有较高的比容量、良好的循环性能和倍率性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种Sn2Nb2O7纳米晶的制备方法，包括以下步骤：
1)按照0.6g：(0.5-1.5)g：(0.7-1.3)g：(10-50)mL的料液比称/量取Nb2O5、SnCl2·2H2O、KOH和纯水，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液；
2)将混合溶液于120-240℃水热反应12h-24h后，冷却，经离心、洗涤、干燥处理，得到Sn2Nb2O7纳米晶。
步骤1)中，搅拌是磁力搅拌。
步骤2)中，冷却采用自然冷却至室温。
步骤2)中，洗涤采用去离子水和无水乙醇各洗涤数次。
步骤2)中，干燥温度为20-80℃，干燥时间为1h。
本发明还公开了采用上述方法制得的Sn2Nb2O7纳米晶，以及采用Sn2Nb2O7纳米晶制备锂离子电池工作电极的方法，将质量百分比为(75-85)：(5-10)：(10-20)的Sn2Nb2O7、羧甲基纤维素钠和乙炔黑混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，得到锂离子电池负极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的Sn2Nb2O7纳米晶的制备方法，以Nb2O5、SnCl2·2H2O和KOH为原料，采用一步水热法制备出了Sn2Nb2O7纳米晶。相比较于传统的固相法和两步水热法，本发明公开的的制备方法工艺简单、制备周期短、成本低廉。
使用该制备方法制得的Sn2Nb2O7纳米晶的结晶性好、纯度高、性能优异，能够大量合成。
本发明制备的Sn2Nb2O7纳米晶具有较小的尺寸，可以有效缓解体积膨胀现象。使用该Sn2Nb2O7纳米晶作为电池负极的锂离子电池，具有更高的比容量和良好的循环性能。
附图说明
图1是本发明制备的Sn2Nb2O7纳米晶的X射线衍射(XRD)图谱；
图2是本发明制备的Sn2Nb2O7纳米晶的扫描电镜(SEM)照片；
图3是本发明制备的Sn2Nb2O7纳米晶的透射电镜(TEM)照片；
图4是本发明制备的Sn2Nb2O7纳米晶的倍率性能图；
图5是本发明制备的Sn2Nb2O7纳米晶的循环性能图；
图6是本发明制备的Sn2Nb2O7纳米晶的容量电压曲线图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
制备Sn2Nb2O7纳米晶：
1)称/量取0.6g Nb2O5、1g KOH和0.9g SnCl2·2H2O放入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，加入30mL纯水，充分搅拌均匀，制成混合溶液备用；
2)将反应釜放入烘箱中，120℃水热反应12h，待水热反应生成的物质自然冷却至室温，离心，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在真空干燥箱30℃下干燥1h，得到Sn2Nb2O7纳米晶。
采用得到的Sn2Nb2O7纳米晶制作锂离子电池负极：
将Sn2Nb2O7、羧甲基纤维素钠、乙炔黑按质量百分比80:10:10混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，作为锂离子电池的负极。
实施例2
制备Sn2Nb2O7纳米晶：
1)称/量取0.6g Nb2O5、1.2g KOH和1.5g SnCl2·2H2O放入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，加入20mL纯水，充分搅拌均匀，制成混合溶液备用；
2)将反应釜放入烘箱中，180℃水热反应16h，待水热反应生成的物质自然冷却至室温，离心，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在真空干燥箱60℃下干燥1h，得到Sn2Nb2O7纳米晶。
采用得到的Sn2Nb2O7纳米晶制作锂离子电池负极：
将Sn2Nb2O7、羧甲基纤维素钠、乙炔黑按质量百分比75:10:15混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，作为锂离子电池的负极。
实施例3
制备Sn2Nb2O7纳米晶：
1)称/量取0.6g Nb2O5、0.8g KOH和0.5g SnCl2·2H2O放入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，加入40mL纯水，充分搅拌均匀，制成混合溶液备用；
2)将反应釜放入烘箱中，200℃水热反应12h，待水热反应生成的物质自然冷却至室温，离心，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在真空干燥箱50℃下干燥1h，得到Sn2Nb2O7纳米晶。
采用得到的Sn2Nb2O7纳米晶制作锂离子电池负极：
将Sn2Nb2O7、羧甲基纤维素钠、乙炔黑按质量百分比75:5:20混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，作为锂离子电池的负极。
实施例4
制备Sn2Nb2O7纳米晶：
1)称/量取0.6g Nb2O5、0.9g KOH和1g SnCl2·2H2O放入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，加入50mL纯水，充分搅拌均匀，制成混合溶液备用；
2)将反应釜放入烘箱中，240℃水热反应18h，待水热反应生成的物质自然冷却至室温，离心，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在真空干燥箱70℃下干燥1h，得到Sn2Nb2O7纳米晶。
采用得到的Sn2Nb2O7纳米晶制作锂离子电池负极：
将Sn2Nb2O7、羧甲基纤维素钠、乙炔黑按质量百分比80:5:15混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，作为锂离子电池的负极。
实施例5
制备Sn2Nb2O7纳米晶：
1)称/量取0.6g Nb2O5、1.3g KOH和0.8g SnCl2·2H2O放入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，加入35mL纯水，充分搅拌均匀，制成混合溶液备用；
2)将反应釜放入烘箱中，240℃水热反应24h，待水热反应生成的物质自然冷却至室温，离心，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在真空干燥箱80℃下干燥1h，得到Sn2Nb2O7纳米晶。
采用得到的Sn2Nb2O7纳米晶制作锂离子电池负极：
将Sn2Nb2O7、羧甲基纤维素钠、乙炔黑按质量百分比75:10:15混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，作为锂离子电池的负极。
实施例6
制备Sn2Nb2O7纳米晶：
1)称/量取0.6g Nb2O5、0.7g KOH和1.2g SnCl2·2H2O放入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，加入10mL纯水，充分搅拌均匀，制成混合溶液备用；
2)将反应釜放入烘箱中，200℃水热反应16h，待水热反应生成的物质自然冷却至室温，离心，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次，在真空干燥箱20℃下干燥1h，得到Sn2Nb2O7纳米晶。
采用得到的Sn2Nb2O7纳米晶制作锂离子电池负极：
将Sn2Nb2O7、羧甲基纤维素钠、乙炔黑按质量百分比80:10:10混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，作为锂离子电池的负极。
采用本发明制得的Sn2Nb2O7纳米晶作为锂电池负极，该锂离子电池是由正极、负极、隔膜和电解液组成。正极为金属锂，电解质是1mol/L LiPF6的EC+DEC+DMC(EC/DEC/DMC＝1/1/1，v/v/v)溶液。所有组装均在充满氩气的手套箱里进行。检测该锂离子电池的倍率性能、循环性能和比容量，具有较好的倍率性能、循环性能及较高的比容量。
从图1可以看出，本发明制备的纳米晶的物相为Sn2Nb2O7，与标准卡片对比，特征衍射峰完全吻合。从图2、图3可以看出所制备的Sn2Nb2O7纳米晶的颗粒尺寸为30-70nm；从图4、图5和图6可以看出，Sn2Nb2O7电极在电流密度为0.1Ag-1条件下循环50圈时，比容量为350mAhg-1。在电流密度为0.2A g-1、0.5A g-1、1.0A g-1、2.0Ag-1条件下分别循环10圈，Sn2Nb2O7电极的比容量分别为506mAh g-1、434mAh g-1、339mAh g-1、191mAh g-1，表明其具有良好的循环性能和倍率性能。

Claims (8)

1.一种锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶的制备方法，其特征在于，所述制备方法基于一步水热法，具体包括以下步骤：
1）按照0.6g：(0.5-1.5)g：(0.7-1.3)g：（10-50)mL的料液比称/量取Nb2O5、SnCl2·2H2O、KOH和纯水，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液；
2）将混合溶液于120-240℃水热反应12h-24h后，冷却，经离心、洗涤、干燥处理，得到锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶，所制备的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶的颗粒尺寸为30-70nm。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶的制备方法，其特征在于，步骤1）中，搅拌是磁力搅拌。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶的制备方法，其特征在于，步骤2）中，冷却采用自然冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶的制备方法，其特征在于，步骤2）中，洗涤采用去离子水和无水乙醇各洗涤数次。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶的制备方法，其特征在于，步骤2）中，干燥温度为20-80℃，干燥时间为1h。
6.采用权利要求1-5中任意一项制备方法制得的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶。
7.权利要求6所述的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶在制备锂电池中的应用。
8.采用权利要求6所述的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶制备锂离子电池负极的方法，其特征在于：将质量百分比为（75-85）：（5-10）：（10-20）的锂离子电池负极材料Sn2Nb2O7纳米晶、羧甲基纤维素钠和乙炔黑混合研磨后，加水配制成均匀的浆料，均匀地涂布在铜片上，得到锂离子电池负极。
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