CN112768655A - 一种二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法 - Google Patents

一种二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，将SnCl2溶于浓盐酸形成稳定的酸性SnCl2溶液；将BC浆液通过2,2,6,6‑四甲基哌啶氧化物氧化成OBC，并配置成OBC溶液；将酸性SnCl2溶液、OBC溶液和GO分散液在水热釜中混合，搅拌形成均匀的混合溶液，进行水热处理；待水热釜冷却至室温，将产物进行离心、水洗、乙醇洗涤、冷冻干燥。本发明提供的制备方法操作简单、环保、能耗低，并且所制备的SnO2@OBC/rGO纳米复合电极材料具有优异的电化学性能。

Description

一种二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的 制备方法
技术领域
本发明涉及一种二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯(以下简称 SnO2@OBC/rGO)电极的制备方法及应用，属于材料工程中的新能源技术领域。
背景技术
锂离子电池作为一种能源储存设备，已广泛用于与风能，太阳能和生物能等结合的消费类电子产品，电动汽车和能源存储中。随着现代社会的快速发展，锂离子电池的需求与日俱增。自1990年锂离子电池开始实行商品化应用以来，由于便携式电子设备如移动电话、笔记本电脑、数码相机等越来越普及，市场对于锂离子电池的需求越来越高。为了解决石油短缺的问题以及积极改善空气污染状况，我国已经把发展新能源汽车作为战略性产业的重大举措，未来锂离子电池的需求将保持持续增长的态势。随着动力型与储能型锂离子电池需求的增长，能量密度低，循环寿命短的单体电池无法满足相关产业的续航要求，严重限制了相关产业的发展。而锂离子电池负极材料市面上主要为石墨，理论比容量只能达到372mAh/g，制备成电池只能达到120～200Wh/kg的能量密度，无法满足日益提高的锂离子电池生产需求。因此，开发一种高容量且稳定的负极材料是目前科研界关注的热点问题。
近年来，SnO2由于其高的理论容量(783mAh/g)，低的嵌锂电位(比石墨更低)和高的储藏丰度而备受人们关注。锡基氧化物在首次充放电放电过程中，锡基氧化物会发生不可逆反应并还原成金属锡，与此同时还会生成氧化锂，不可逆氧化锂的生成会造成一定量的容量损失，金属锡会与锂发生可逆合金化与去合金化反应，使锡基氧化物材料拥有可逆储锂容量。
但是，SnO2本身电子迁移率较低，材料结构不稳定，体积膨胀相对较大 (250％)，氧化锂的生成导致不可逆容量较大，首次循环库仑效率低。同时，SnO2较大的比表面积使得材料在制备过程中容易产生团聚。为了改善锡基氧化物的充放电循环稳定性能和倍率性能，可以通过将纳米结构的SnO2和碳材料复合来实现。当碳材料添加进入纳米尺寸的SnO2基体形成复合材料后，该SnO2基体的体积变化可以明显减小，因为具有机械韧性的碳材料可以有效的缓冲SnO2的体积膨胀。除此之外，碳材料的优良导电性能提高SnO2基电极材料的导电性。
在本发明中，我们利用简单的水热法制备了SnO2@OBC/rGO纳米复合电极材料，在该复合材料中氧化细菌纤维素(OBC)可以形成交联的碳网将SnO2牢固的锚定在氧化石墨烯(GO)片层上。另外，以GO与OBC为主的碳材料有效的提高了材料的导电性。这些组成、结构特点使SnO2@OBC/rGO纳米复合电极材料表现出了优异的电化学性能，SnO2@OBC/rGO在0.1C(78.3mA/g)电流密度下首次放电比容量为1883.4mAh/g，循环至25次后仍有1061mAh/g的可逆放电容量，这表明SnO2@OBC/rGO纳米复合电极有着优异的电化学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有较高的电化学性能的 SnO2@OBC/rGO材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将SnCl2溶于浓盐酸形成稳定的酸性SnCl2溶液；
步骤2)：将BC浆液通过2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化成OBC，并配置成OBC溶液；
步骤3)：将酸性SnCl2溶液、OBC溶液、GO分散液在水热釜中混合，搅拌形成均匀的混合溶液，进行水热处理；
步骤4)：待水热釜冷却至室温，将产物进行离心、水洗、乙醇洗涤、冷冻干燥。
优选地，所述步骤1)中浓盐酸的质量浓度为37％。
优选地，所述步骤1)中酸性SnCl2溶液的浓度为2.5g/mL。
优选地，所述步骤2)中OBC溶液的浓度为2mg/mL。
优选地，所述步骤3)中GO分散液的浓度为5mg/mL。
优选地，所述步骤3)中酸性SnCl2溶液、OBC溶液、GO分散液混合液中各反应物的质量比例为25：2：25。
本发明提供了一种利用OBC作为交联剂制备SnO2@OBC/rGO材料的方法，本发明是以SnO2、BC、GO为原料，采用简单水热法制备出SnO2@OBC/rGO纳米复合材料。rGO片层提高了电极的导电性，且柔性的rGO片层能有效地缓冲 SnO2在脱嵌锂过程中的体积膨胀。此外，OBC的加入增强了SnO2颗粒与GO片层之间的相互作用，提高了电极稳定性，使得电极具有优异的循环性能。
附图说明
图1为SnO2@OBC/rGO纳米复合材料在电流密度为78.3mA/g的充放电曲线；
图2为SnO2@OBC/rGO纳米复合材料在电流密度为78.3mA/g的循环曲线。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
本实施例提供了一种以SnO2@OBC/rGO纳米复合材料制备方法，具体步骤为：
(1)称取0.5g SnCl2溶于0.2mL的HCl(质量分数为37％)中搅拌均匀形成SnCl2酸液；
(2)将50g的BC匀浆(固重含量比1wt％)和200mL水加入250mL烧杯中。称取0.018gTEMPO和0.1g溴化钠(NaBr)添加到烧杯中，磁力搅拌使浆液混合均匀。通过向溶液中添加次氯酸钠(NaClO)溶液8mL触发TEMPO介导的氧化，氧化8h后加入5mL无水乙醇淬灭氧化过程。在氧化完成后，离心水洗3次，取剩余产物配成250mL溶液。
(3)将0.2mL的SnCl2酸液逐滴加入到20mL OBC浆液中(浓度为2mg/mL) 中，形成类凝胶状，最后将100mL GO胶体(浓度为5mg/mL)加入上述溶液中，搅拌均匀形成混合溶液；将得到的溶液置于水热釜中以1℃·min-1的升温速率在 170℃下，水热2h。
(4)待水热釜冷却至室温，将聚四氟乙烯内胆中的前驱体倒入离心杯中依次离心，水洗，乙醇洗涤，冷冻干燥，即得到SnO2@OBC/rGO纳米复合电极材料。
将本发明实施例的样品进行进一步的表征分析，结果如图所示，图1是 SnO2@OBC/rGO纳米复合电极材料在0.1C(78.3mA/g)电流密度下的充放电曲线，在图2中SnO2@OBC/rGO纳米复合电极材料首次放电比容量为1883.4mAh/g，循环至25次后仍有1061mAh/g的可逆放电容量。这些结果表明 SnO2@OBC/rGO纳米复合电极材料拥有着优异的电化学性能。

Claims (6)

1.一种二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：将SnCl2溶于浓盐酸形成稳定的酸性SnCl2溶液；
步骤2)：将BC浆液通过2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物氧化成OBC，并配置成OBC溶液；
步骤3)：将酸性SnCl2溶液、OBC溶液、GO分散液在水热釜中混合，搅拌形成均匀的混合溶液，进行水热处理；
步骤4)：待水热釜冷却至室温，将产物进行离心、水洗、乙醇洗涤、冷冻干燥。
2.如权利要求1所述的二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中浓盐酸的质量浓度为37％。
3.如权利要求1所述的二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中酸性SnCl2溶液的浓度为2.5g/mL。
4.如权利要求1所述的二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中OBC溶液的浓度为2mg/mL。
5.如权利要求1所述的二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中GO分散液的浓度为5mg/mL。
6.如权利要求1所述的二氧化锡@氧化细菌纤维素/还原氧化石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中酸性SnCl2溶液、OBC溶液、GO分散液混合液中各反应物的质量比例为25：2：25。
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