CN109728263B - 一种Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Sn‑SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法与应用。首先,配置乙醇‑水溶液,并在乙醇‑水溶液中依次添加尿素或氰基胺、锡锑氧化物、糖原,每次添加均需超声分散完全;其次,将上述混合溶液旋转蒸干,再通过真空干燥后,研磨得前驱体粉末,最后将前驱体粉末转入管式炉中,在惰性气氛下通过程序升温进行高温碳化,即得具有高度分散Sn‑SnSb/碳纳米片复合材料;所述Sn‑SnSb/碳纳米片复合材料中碳的重量比为15‑60%。通过设计纳米Sn及其SnSb合金化物在导电碳纳米片表面呈均匀分散形成三维状结构,有效地改进电极材料的电化学性能,原料便宜,制备简单,收率高,便于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及钠电池负极材料技术领域,具体涉及一种Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法与应用。
背景技术
相比锂离子电池,钠离子电池由于其成本低、资源丰富以及安全性更高等特点,最近引起了人们极大的兴趣。然而,由于钠离子相比锂离子具有更大的离子半径,造成其比容量低,速率容量小,体积效应显著等,因而缩短了循环寿命。就目前而言,相比锂离子电池,适应于钠离子电池的电极材料仍然较少,且性能不够优越。
钠可与锡、锑、锗、铅等多种金属元素形成合金,例如Na15Sn4合金可达到847 mAh/g理论比容量,Na3Sb可达660 mAh/g理论比容量,Na3Ge可达1108 mAh/g理论比容量,Na15Pb4可达484 mAh/g理论比容量等。这些金属的合金元素,尤其是Sn和SnSb合金类材料,具有巨大的潜力。虽然理论比容量上SnSb合金容量低于纯Sn,单其钠离子电池循环性能更稳定,因为它可以在Sn和Sb之间产生类似于网络桥接作用,并有助于保持结构完整性,提高导电率。
就目前而言,Sn或SnSb合金用作钠电池负极仍存在体积效应显著等问题,将之与高电导率碳材料结合制备复合电极材料对改善材料的长循环性能和速率性能意义重大。但由于两相材料的生长的不可控性,原位构筑分布均匀的Sn或SnSb合金/碳复合材料困难很大。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法与应用,本发明复合材料具有高度分散性能,充放电性能优异,制备方法简单,便于工业化生产。
为解决现有技术问题,本发明采取的技术方案为:
一种Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,首先,配置乙醇-水溶液,并在乙醇-水溶液中依次添加尿素或氰基胺、锡锑氧化物、糖原,每次添加均需超声分散完全;其次,将上述混合溶液旋转蒸干,再通过真空干燥后,研磨得前驱体粉末,最后将前驱体粉末转入管式炉中,在惰性气氛下通过程序升温进行高温碳化,即得具有高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料。
作为改进的是,所述糖原为葡萄糖或蔗糖。
上述Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)配置无水乙醇和水的混合溶液,所述水和乙醇的体积比为9-19:1;
2)将尿素或氰基胺分散在上述混合溶液中,超声溶解完全后,加入Sn:Sb的摩尔比为0.55:0.45-0.95:0.05,粒径为5 nm-100 nm的锡锑氧化物粉体颗粒,超声20分钟后,再加入糖原超声溶解完全,通过旋转蒸发的方式除去溶剂,再经真空干燥、研磨得前驱体粉末,所述尿素或氰基胺与糖原的质量比为10-20:1,所述的糖原与锡锑氧化物粉体的质量比为6-1:1;
3)将前驱体粉末至入管式炉中,在惰性气氛下以2℃/min的升温速率升至600℃,保温2小时,再以2℃/min的升温速率升至800℃,保温2小时后降至室温,得到黑色的高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料;所述Sn-SnSb/碳纳米片复合材料中碳的重量比为15-60%。
进一步地,所述惰性气氛由Ar、Ar/H2混合气或He形成。
上述Sn-SnSb/碳纳米片复合材料作为钠离子电池的负极的应用。
上述应用的步骤为,将Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的研磨后,与炭黑、羧甲基纤维素混合均匀,涂在铜膜上,真空干燥,即得复合电极。
有益效果
1、本发明根据钠电池负极材料充放电循环中的特点,通过原位在碳纳米片的表面(和碳纳米片表面紧密结合)构筑高度分散的Sn-SnSb材料,制备具有高循环性能和优越倍率性能的钠离子电池负极材料。超薄导电碳纳米片的均匀复合更进一步的改善了Sn或SnSb材料的电子导电性能,并能有效的抑制活性材料的体积效应,从而有效地改进电极材料的电化学性能。其三维的网络状结构还有利于电极液的渗透有益于钠离子的快速扩散。高度分散Sn-SnSb材料结构能在充放电过程中阻止颗粒的团聚,从而降低电极材料的内部极化,对Sn或SnSb的循环性能和速率性能明显改善,从而延长循环寿命。
2、本发明所使用的溶剂为水,所用的原料之一为糖类物质,环境友好,且重复性好,成本低廉,具有较好的规模化应用潜力,工业化前景良好。
3、本发明制备原料便宜,操作工艺简单,收率高,材料的充放电性能优异,便于工业化生产。
附图说明
图1为本发明高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的XRD图谱;
图2为本发明高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的XPS图谱;
图3本发明高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的TEM图谱;
图4为本发明高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料作为负极电极在2A·g-1的充放电电流密度下的循环性能测试曲线;
图5为本发明高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料作为负极电极在5A·g-1的充放电电流密度下的循环性能测试曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方案进一步描述 :以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明实施例中所用的锡锑氧化物来源于上海阿拉丁公司。
实施例1
一种Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)配置100 mL无水乙醇和水的混合溶液,水和乙醇的体积比为9:1。
2)将3g的尿素分散在上述混合溶液中,超声处理至完全溶解后,加入直径约10 nm的锡锑氧化物(其中,Sn:Sb摩尔比约为9/1)粉颗粒0.1g,超声处理20分钟后,加入0.3g的葡萄糖,待葡萄糖完全溶解后,旋转蒸发去除溶剂,再通过真空干燥得前驱体粉末;
3)将上述前驱体粉末至入管式炉中,在氩气下以2℃/min的升温速率升至600℃,保温两个小时,再以2℃/min的升温速率升至800℃,保温两个小时后降至室温,得到黑色粉末,即为碳纳米片/Sn-SnSb复合材料;制备得到的复合材料的碳含量约为23%。
4)将烧结后的材料充分研磨后,与炭黑及羧甲基纤维素按照重量比 70∶15∶15 的比例,混合均匀,涂在铜膜后 60 ℃真空干燥 4 h,制备得到复合电极。
将复合电极安装在2025电池壳内,以钠片为对电极,以聚乙烯膜为隔膜,以1MNaClO4在EC:EMC:DMC(体积比1/1/1)+5%FEC为电解液组装电池进行恒电流充放电测试。
实施例2
一种Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)配置150 mL无水乙醇和水的混合溶液,水和乙醇的体积比为10:1。
2)将6g的尿素分散在上述混合溶液中,超声溶解完全后,加入直径100 nm的锡锑氧化物(Sn:Sb摩尔比约为9/1)粉颗粒0.15 g,超声20分钟后,再加入0.3 g的蔗糖超声溶解完全,通过旋转蒸发的方式除去溶剂,再经由真空干燥制备得到前驱体粉末;
3)将上述前驱体粉末至入管式炉中,在He气下以2℃/min的升温速率升至600℃,保温两个小时,再以2℃/min的升温速率升至800℃,保温两个小时后降至室温,得到黑色粉末,即为碳纳米片/Sn-SnSb复合材料;制备得到的复合材料的碳含量约为15%。
4)将烧结后的材料充分研磨后,与炭黑、羧甲基纤维素按照重量比为70∶15∶15比例混合均匀,涂膜后 60 ℃真空干燥 4 h,制备得到复合电极。
将复合电极安装在2025电池壳内,以钠片为对电极,以聚乙烯膜为隔膜,以1MNaClO4在EC:EMC:DMC(体积比1/1/1)+5%FEC为电解液组装电池进行恒电流充放电测试。
实施例3
一种高度分散Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)配置200 mL无水乙醇和水的混合溶液,水和乙醇的体积比为19:1。
2)将6g的氰基胺分散在上述混合溶液中,超声溶解完全后,加入直径30 nm的锡锑氧化物(中,Sn:Sb摩尔比约为9/1)粉颗粒0.1g,超声20分钟后,再加入0.4g的蔗糖超声溶解完全,通过旋转蒸发的方式除去溶剂,再经由真空干燥制备得到前驱体粉末;
3)将上述前驱体粉末至入管式炉中,在Ar/H2混合气下以2℃/min的升温速率升至600℃,保温两个小时,再以2℃/min的升温速率升至800℃,保温两个小时后降至室温,得到黑色粉末,即为碳纳米片/Sn-SnSb复合材料;制备得到的复合材料的碳含量约为30%。
4)将烧结后的材料充分研磨后,和炭黑及羧甲基纤维素按照重量比为 70∶15∶15的比例,混合均匀,涂膜后 60 ℃真空干燥 4 h,制备得到复合电极。
将复合电极安装在2025电池壳内,以钠片为对电极,以聚乙烯膜为隔膜,以1MNaClO4在EC:EMC:DMC(体积比1/1/1)+5%FEC为电解液组装电池进行恒电流充放电测试。
实施例4
一种高度分散Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)配置200 mL无水乙醇和水的混合溶液,水和乙醇的体积比为19:1。
2)将6g的氰基胺分散在上述混合溶液中,超声溶解完全后,加入直径30 nm的锡锑氧化物(Sn:Sb摩尔比约为5/1)粉颗粒0.4 g,超声20分钟后,再加入0.4g的葡萄糖超声溶解完全,通过旋转蒸发的方式除去溶剂,再经由真空干燥制备得到前驱体粉末;
3)将上述前驱体粉末至入管式炉中,在Ar/H2混合气下以2℃/min的升温速率升至600℃,保温两个小时,再以2℃/min的升温速率升至800℃,保温两个小时后降至室温,得到黑色粉末,即为碳纳米片/Sn-SnSb复合材料;制备得到的复合材料的碳含量约为21%。
4)将烧结后的材料充分研磨后,和炭黑及羧甲基纤维素按照重量比为 70∶15∶15的比例,混合均匀,涂膜后 60℃真空干燥 4 h,制备得到复合电极。
将复合电极安装在2025电池壳内,以钠片为对电极,以聚乙烯膜为隔膜,以1MNaClO4在EC:EMC:DMC(体积比1/1/1)+5%FEC为电解液组装电池进行恒电流充放电测试。
实施例5
一种高度分散Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)配置200 mL无水乙醇和水的混合溶液,水和乙醇的体积比为10:1。
2)将6g的氰基胺分散在上述混合溶液中,超声溶解完全后,加入直径30 nm的锡锑氧化物(其中,Sn:Sb摩尔比约为1.5/1)粉颗粒0.1 g,超声20分钟后,再加入0.6 g的葡萄糖超声溶解完全,通过旋转蒸发的方式除去溶剂,再经由真空干燥制备得到前驱体粉末;
3)将上述前驱体粉末至入管式炉中,在Ar气下以2℃/min的升温速率升至600℃,保温两个小时,再以2℃/min的升温速率升至800℃,保温两个小时后降至室温,得到黑色粉末,即为碳纳米片/Sn-SnSb复合材料;制备得到的复合材料的碳含量约为55%。
4)将烧结后的材料充分研磨后,和炭黑及羧甲基纤维素按照重量比 70∶15∶15 的比例,混合均匀,涂膜后 60 ℃真空干燥 4 h,制备得到复合电极。
将复合电极安装在2025电池壳内,以钠片为对电极,以聚乙烯膜为隔膜,以1MNaClO4在EC:EMC:DMC(体积比1/1/1)+5%FEC为电解液组装电池进行恒电流充放电测试。
性能检测
下面通过物相测试对复合材料的形貌结构以及通过循环性能测试对本发明制备的复合材料的电化学性能进行测试和表征。
1、XRD与XPS分析
图1为实施例1-3样品的XRD图。
实施例1-3样品中原料锡锑氧化物中Sn:Sb比例均约为9/1。从图1的XRD中可以看出其原料均和Sn0.918Sb0.109O标准图谱相一致。在不添加锡锑氧化物的碳片的XRD上,可以看到在大约25°左右有一个很宽的馒头峰,这是无定形碳的结构类型。通过实施例的方案实施后,可以看出所制备的样品中均呈现Sn和Sn-Sb合金混合晶相的峰,同时在25°左右存在馒头峰的形状。
图2为实施例1的XPS图谱。图谱上可以看出,最后制备复合样品主要含C、N、Sn、Sb、O五种元素,原子比例分别为70%、16%、2%、1%、11%。在不添加锡锑氧化物所制备的碳片对比样中主要含C、N、O三元素,其中,碳所占原子比为80%,氮原子占17%,氧原子占3%。氮元素的掺杂能更高程度的改善复合材料的电导率,从而降低电极材料在大倍率下的极化。
2、TEM分析
图3为本发明实施例1所制备样品的TEM照片。从其TEM照片,可以看出Sn-SnSb复合纳米颗粒的尺寸范围为5-10 nm,且呈现球形状。复合纳米颗粒均匀的分散在碳纳米片的表面,呈现高度分散复合的特性。从其晶格间距可以测出其含有Sn以及Sn-Sb复合两种晶相,证明两种物质是同时存在的。
3、循环性能测试
图4-5为实施例1-3的样品制备得到的复合负极材料在2A·g-1和5A·g-1的充放电电流密度下的循环性能测试曲线。图上可以看出即使在很高的充放电电流密度下,所制备的电极仍能保持较高的可逆比容量,且均循环300次左右基本无衰减。
4、采用上述方法,对实施例4-5所得材料进行检测,其形貌结构和性能结果与实施例1-3基本相同。
综上所述,本发明制备的高性能高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料,锡锑氧化物粉末颗粒材料呈现高度分散复合特性,这能极大降低锡锑氧化物粉末颗粒在反复充放电循环过程中的团聚现象,从而极大降低极化,极大改善材料的电化学性能。此外,Sn-SnSb特殊复合的方式及含量对电池性能亦有重要影响。
Claims (4)
1.一种Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,其特征在于,首先,配置乙醇-水溶液,并在乙醇-水溶液中依次添加尿素或氰基胺、锡锑氧化物、糖原,每次添加均需超声分散完全;其次,将上述混合溶液旋转蒸干,再通过真空干燥后,研磨得前驱体粉末,最后将前驱体粉末转入管式炉中,在惰性气氛下通过程序升温进行高温碳化,即得具有高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料;具体步骤为:1)配置无水乙醇和水的混合溶液,水和无水乙醇的体积比为9-19:1;2)将尿素或氰基胺分散在上述混合溶液中,超声溶解完全后,加入Sn:Sb的摩尔比为0.55:0.45-0.95:0.05,粒径为5nm-100nm的锡锑氧化物粉体颗粒,超声20分钟后,再加入糖原超声溶解完全,通过旋转蒸发的方式除去溶剂,再经真空干燥、研磨得前驱体粉末,所述尿素或氰基胺与糖原的质量比为10-20:1,所述的糖原与锡锑氧化物粉体的质量比为6-1:1;3)将前驱体粉末转入管式炉中,在惰性气氛下以2℃/min的升温速率升至600℃,保温2小时,再以2℃/min的升温速率升至800℃,保温2小时后降至室温,得到黑色的高度分散的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料;所述Sn-SnSb/碳纳米片复合材料中碳的重量比为15-60%;所述糖原为葡萄糖或蔗糖。
2.根据权利要求1所述的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料的制备方法,其特征在于,步骤3)中所述惰性气氛由Ar、Ar/H2混合气或He形成。
3.基于权利要求1所述的方法制备的Sn-SnSb/碳纳米片复合材料作为钠离子电池的负极的应用。
4.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,将Sn-SnSb/碳纳米片复合材料研磨后,与炭黑、羧甲基纤维素混合均匀,涂在铜膜上,真空干燥,即得复合电极。
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GR01 | Patent grant | ||
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