CN109873126B - 一种Sb2SnO5/C在锂离子电池负极中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Sb2SnO5/C在锂离子电池负极中的应用。所述Sb2SnO5/C复合物作为活性材料应用于锂离子电池负极中。具有较低的平均工作电压和高的比容量，具有较好的锂离子电池充放电性能，倍率性能优异，可用作锂离子电池负极材料。

Description

一种Sb2SnO5/C在锂离子电池负极中的应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种锂离子电池负极材料技术。
背景技术
随着能源问题的日益严峻，不可再生资源的日益匮乏，以及人们对环保重要性认识的不断增强，社会对新能源的需求日益增强，而储能在能源体系中发挥越来越重要的作用。锂离子电池具有工作电压高、倍率性能好、循环寿命长、能量密度高、自放电小且无记忆效应等优点。锂离子电池已经广泛应用在小型便携电子设备中，同时也是动力电池的首选，在未来电化学储能市场中也会占据较大份额，因此关于锂离电池的研究一直是储能技术研究的热点之一。
目前应用于锂离子电池的负极材料主要有石墨、中间相炭微球、石墨烯等碳材料以及钛酸锂等。然而，这些材料仍然存在很多问题：比容量较低，质量能量密度和体积能量密度低等，这些材料不能满足下一代高比能量锂离子电池的发展需求。金属氧化物类新型负极材料由于其高的理论比容量和低成本，被认为是用于下一代高比能量锂离子电池的负极材料。合金化型负极是一类新型负极材料，在放电过程中通过与锂的合金化多电子反应而具有高的理论比容量。Sn和Sb都可以与Li发生合金化反应，其化合物可用做锂离子电池负极材料且具有高的理论比容量。Sb2SnO5化合物具有较好的电子传导性，且同时具备了Sb和Sn的电化学性质，具有高的理论比容量，同时与碳材料复合可以提升材料的导电性，进而提升电极材料的电化学性能。
发明内容
针对上述提出的技术问题,本发明目的在于提供一种Sb2SnO5/C作为负极材料用于锂离子电池中；
具体技术方案如下：
一种Sb2SnO5/C在锂离子电池负极中的应用，所述Sb2SnO5/C复合物作为活性材料应用于锂离子电池负极中。
所述锂离子电池负极活性材料为Sb2SnO5/C材料。
本发明提供的Sb2SnO5/C锂离子电池负极材料。
采用水热法制备Sb2SnO5/C锂离子电池负极材料，其步骤如下：
1)配料：权利要求5中得到的Sb2SnO5与有机碳源化合物按1:(0.5-1)的摩尔比加入100-200mL去离子水中超声分散10-30分钟形成均匀分散液；
2)将分散液转移至水热反应釜中，进行预处理；
所述预处理为将水热反应釜从室温升温至160-200℃加热12-24小时以上，后冷却至室温，离心分离沉淀，洗涤并干燥得到预处理后的材料；
3)控制各项参数进行材料合成：将步骤2)预处理后的材料；以1-10℃/min的速率升至450-750℃；在氩气气氛下保温3-5小时；反应充分后，以1-50℃/h的速率降至室温，得到Sb2SnO5/C材料；
所述有机碳源化合物为葡萄糖，蔗糖，柠檬酸，苹果酸中的一种或二种以上；
采用溶胶凝胶法制备Sb2SnO5/C锂离子电池负极材料，其步骤如下：
1)配料：权利要求5中得到的Sb2SnO5与有机碳源化合物按1:(0.5-1)的摩尔比加入40-80mL去离子水中超声分散10-30分钟形成均匀分散液；将分散液加热到 50-100℃继续搅拌至形成溶胶；
2)将溶胶转移至100-200℃的烘箱中，烘干至凝胶，将凝胶研磨成粉后进行预处理；
所述预处理为从室温升温至200-500℃在氩气气氛下加热2-10小时以上，后冷却至室温；
3)控制各项参数进行材料合成：将步骤2)预处理后的材料；以1-10℃/min的速率升至450-750℃；在氩气气氛下保温3-5小时；反应充分后，以1-50℃/h的速率降至室温，得到Sb2SnO5/C材料；
所述有机碳源化合物为葡萄糖，蔗糖，柠檬酸，苹果酸中的一种或二种以上；
以下列举了几个典型的可得到Sb2SnO5/C复合物的化学反应式：
(1)Sn+Sb2O3+O2＝Sb2SnO5
(2)Sn(OH)4+2Sb(OH)3＝Sb2SnO5+5H2O
本发明的优点在于：所获Sb2SnO5/C负极材料呈现黑色粉末(图1)，具有较好的结晶度(图2)，具有较高的比容量(图4)、倍率性能(图5)和循环稳定性。Sb2SnO5/C 锂离子电池负极材料其工作电压在0.5V左右，具有较高的比容量达到1050mAh/g，是目前已知锂离子电池负极材料中较高的一种，100个循环后比容量仍能保持95％以上。
附图说明
图1是本发明Sb2SnO5/C锂离子电池负极材料的SEM图片。
图2为本发明Sb2SnO5的多晶粉末X射线衍射图谱。
图3为本发明Sb2SnO5的晶体结构图。
图4为本发明Sb2SnO5/C锂离子电池负极材料1C倍率、0.01-3.0V的充放电曲线。
图5为本发明Sb2SnO5/C锂离子电池负极材料的倍率性能曲线。
具体实施方式
实施例1Sb2SnO5/C负极材料的水热制备
将0.01mol的SnCl4、0.02mol的SbCl3溶于6mol/L盐酸溶液中配成淡青色溶液。转移到坩埚中，将坩埚放入马弗炉中。以5℃/min的升温速度将炉子升至再将该混合溶液在磁力搅拌下缓慢滴加到1:1(体积比)的NH3·H2O溶液中，进行共沉淀反应，至pH＝7，反应一段时间后，将沉淀物离心分离，再用去离子水和无水乙醇洗涤 2-3次，得到前驱体；将前驱体至于干燥箱内于100℃烘干3h，研细；最后将粉体材料在800℃氩气保护下热处理3h即得到Sb2SnO5材料。将0.5g的Sb2SnO5与0.6 g葡萄糖按加入100mL去离子水中超声分散30分钟形成均匀分散液；将分散液转移至水热反应釜中，从室温升温至180℃加热12小时，后冷却至室温，离心分离沉淀，洗涤并干燥得到前驱体；将前驱体以5℃/min的速率升至500℃；在氩气气氛下保温3小时；反应充分后，以20℃/h的速率降至室温，得到Sb2SnO5/C材料；
如图1所示，其为黑色粉末；其X射线衍射图谱如图2所示，其晶体结构图如图3所示。
实施例2Sb2SnO5/C负极材料的溶胶-凝胶制备
将0.01mol的SnCl4、0.02mol的SbCl3溶于6mol/L盐酸溶液中配成淡青色溶液。转移到坩埚中，将坩埚放入马弗炉中。以5℃/min的升温速度将炉子升至再将该混合溶液在磁力搅拌下缓慢滴加到1:1(体积比)的NH3·H2O溶液中，进行共沉淀反应，至pH＝7，反应一段时间后，将沉淀物离心分离，再用去离子水和无水乙醇洗涤2-3次，得到前驱体；将前驱体至于干燥箱内于100℃烘干3h，研细；最后将粉体材料在800℃氩气保护下热处理3h即得到Sb2SnO5材料。将0.5g的Sb2SnO5与 0.8g蔗糖加入80mL去离子水中超声分散30分钟形成均匀分散液；将分散液加热到90℃继续搅拌至形成溶胶；将溶胶转移至120℃的烘箱中，烘干至凝胶，将凝胶研磨成粉后，从室温升温至350℃在氩气气氛下加热3小时，后冷却至室温；再将预处理后的材料以5℃/min的速率升至500℃；在氩气气氛下保温3小时；反应充分后，以20℃/h的速率降至室温，得到Sb2SnO5/C材料；
将实施例1和2所得材料，按照活性物质、导电炭黑、粘结剂三者的质量比为 8:1:1溶于适量N-甲基吡咯烷酮中混合均匀，用湿膜制备器涂布成厚度为0.15mm的电极膜，真空烘干后用切片机切成直径为12mm的电极片，称重并计算活性物质的质量。同时以锂片作为负极，以Celgard 2500作为隔膜，1mol/L的LiPF6的EC+DMC (体积比为1:1)的溶液为电解液，在充满氩气的手套箱中装成纽扣电池。然后将装配的电池进行电化学测试，分别在0.01-3.0V恒流条件下测试。测试结果如图4和5 所示，可以看到Sb2SnO5具有锂离子电池中较高的放电比容量，达到1385mAhg-1，且具有良好的倍率性能，2Ag-1电流密度下仍有812mAhg-1的比容量。
本发明具有较好的锂离子电池充放电性能，循环稳定性良好。

Claims (7)

1.一种Sb2SnO5/C在锂离子电池负极中的应用，Sb2SnO5采用液相共沉淀法制备，其步骤如下：
1）配料：将含Sb化合物与Sn单质和/或含Sn化合物按Sb：Sn为1:(2-2.1)的摩尔比配料混合并进行预处理；
所述预处理为将配置好的原料混合均匀后加入质量浓度36-38%浓盐酸中配成酸性混合液，加入沉淀剂通过共沉淀方法得到预处理后的配料；
2）控制各项参数进行材料合成：将预处理后的配料洗涤，在80-100 ℃烘干3-5 小时；将干燥的预处理后的配料以1-10℃/min的速率从室温升至400-800 ℃；保温3-9小时；反应充分后，以1-50℃/h的速率降至室温，得到Sb2SnO5材料。
2.按照权利要求1所述的应用，其特征在于：所述Sb2SnO5/C作为活性材料应用于锂离子电池负极中。
3.按照权利要求2所述的应用，其特征在于：所述锂离子电池负极材料为Sb2SnO5与碳的复合材料Sb2SnO5/C，其中C质量含量为10-50%。
4.按照权利要求1所述的应用，其特征在于：锂离子电池负极材料的质量组成为Sb2SnO5/C:导电碳=99:1~50:50。
5.按照权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述含Sb化合物为Sb的氧化物、Sb的盐酸盐、Sb的乙酸盐中的一种或二种以上；
所述含Sn化合物为四价Sn的氧化物、四价Sn的盐酸盐、四价Sn的硫酸盐、二价Sn的盐酸盐中的一种或二种以上；
所述沉淀剂为NH3·H2O，NaOH，KOH中的一种或二种以上。
6.按照权利要求1-4任一所述的应用，其特征在于，采用水热法制备Sb2SnO5/C锂离子电池负极材料，其步骤如下：
1）配料：权利要求1中得到的Sb2SnO5与有机碳源化合物按1:(0.5-1)的摩尔比加入100-200 mL去离子水中超声分散10-30分钟形成均匀分散液；
2）将分散液转移至水热反应釜中，进行预处理；
所述预处理为将水热反应釜从室温升温至160-200 ℃加热12-24小时以上，后冷却至室温，离心分离沉淀，洗涤并干燥得到预处理后的材料；
3）控制各项参数进行材料合成：将步骤2）预处理后的材料；以1-10℃/min的速率从室温升至450-750 ℃；在氩气气氛下保温3-5小时；反应充分后，以1-50℃/h的速率降至室温，得到Sb2SnO5/C材料；
所述有机碳源化合物为葡萄糖，蔗糖，柠檬酸，苹果酸中的一种或二种以上。
7.按照权利要求1-4任一所述的应用，其特征在于，采用溶胶凝胶法制备Sb2SnO5/C锂离子电池负极材料，其步骤如下：
1）配料：权利要求1得到的Sb2SnO5与有机碳源化合物按1:(0.5-1)的摩尔比加入去离子水中超声分散10-30分钟形成均匀分散液；将分散液加热到50-100 ℃继续搅拌至形成溶胶；
2）将溶胶转移至100-200℃的烘箱中，烘干至凝胶，将凝胶研磨成粉后进行预处理；
所述预处理为从室温升温至200-500 ℃在氩气气氛下加热2-10小时以上，后冷却至室温；
3）控制各项参数进行材料合成：将步骤2）预处理后的材料；以1-10℃/min的速率从室温升至450-750 ℃；在氩气气氛下保温3-5小时；反应充分后，以1-50℃/h的速率降至室温，得到Sb2SnO5/C材料；
所述有机碳源化合物为葡萄糖，蔗糖，柠檬酸，苹果酸中的一种或二种以上。
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