一种碳包覆二氧化锡超微粉体锂离子电池负极材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳包覆二氧化锡超微粉体锂离子电池负极材料的制备方法，在一定条件下将锡的前驱体和长链脂肪酸溶解于高沸点溶剂中，在200-280℃下连续鼓入空气，制得高结晶度、单分散的二氧化锡纳米晶体，回收、提纯，在氮气氛围中煅烧后，即得到碳膜包覆二氧化锡超微粉体。本发明通过控制反应温度、时间等因素，可以实现碳膜包覆二氧化锡粉体尺寸的可调。本发明制备的碳膜包覆二氧化锡粉体在扣式电池中具有大容量（高达1000mAh·g-1），高倍率放电条件下容量稳定（8C放电，电池容量480mAh·g-1）等特点。
【专利说明】一种碳包覆二氧化锡超微粉体裡离子电池负极材料的制备方法
一、【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池负极材料的制备方法，具体地说是一种碳包覆二氧化锡超微粉体锂离子电池负极材料的制备方法。
二、【背景技术】
[0002]二氧化锡是一种重要的锂离子电池的负极材料。由于二氧化锡具有较高的理论容量（782mAh ? g—1)，是商业化碳负极材料的理论容量（372mAh ? g_0的2倍多， 较之于其他氧化物半导体材料具有高电导率（~21. IQ ? cm)以及较高电子迁移率 (~100-200cm2 ? V—1 ? s—1)，在高性能锂离子电池特别是动力锂离子电池中具有很大的潜在应用价值。由于纳米二氧化锡的量子尺寸效应，大比表面积，高表面活性，纳米二氧化锡材料如二氧化锡纳米颗粒，二氧化锡纳米线，介孔二氧化锡纳米材料在气体传感器、催化剂、透明电极的能量转换和能量存储设备等诸多领域有广泛的应用前景。（I: Y. Idota, T. Kubota, A. Matsufuji, Y. Maekawa, T. Miyasaka, Sciencel997, 276, 1395-1397. 2:M. -L. Lu, C. -ff. Lai, H. -J. Pan, C. -T. Chen, P. -T. Chou, Y. -F. Chen, Nano Letters2013, 13，1920-1927. 3 : J. Y. Huang, L. Zhong，C. M. Wang, J. P. Sullivan, W. Xuj L. Q. Zhang, S. X. Mao, N. S. Hudak, X. H. Liu, A. Subramanian，H. Fan, L. Qij A. Kushima，J. Li，Sc ience2010，330，1515-1520. 4:M. Herrera, D. Maestre，A. Cremades，J. Piqueras，Journal of Physical Chemistry C2013，117，8997-9003.5:R. Demir-Cakan，Y. S. Hu，M. Antonietti，J. Maier, M. M. Titirici, Chemistry of Materials2008, 20，1227-1229. 6:Z. Y. Zhuang,F.Huang,Z. Lin, H. Z. Zhang,Journal of the American Chemical Society2012, 134，16228-16234. 7:C. Xuj J. Sun,L. Gao，Journal of Materials Chemistry2012, 22，975-979. 8:刘春明，袓小涛.一种制备一维纳米二氧化锡材料的方法： 中国，CN1724383. [P] 2006-01-25. 9:赵昌余，王庆杰，王永.一种纳米二氧化锡掺杂复合碳负极材料的制备方法和锂电池：中国，CN1812167. [P]2006-08-02. 10:张东阳等二氧化锡填充碳纳米管与锂离子存储性能[J].中国科技论文2012，03，170-174)。
[0003]目前二氧化锡负极材料在脱嵌锂的过程中体积发生很大的变化，从而导致了二氧化锡负极容量的快速衰减和大电流放电能力较差，因而目前合成的二氧化锡材料在动力锂离子电池的应用具有局限性。(I ：X. ff. Lou, Y. Wang, C. Yuan, J. Y. Lee, L. A. Archer, Advanced Materials2006, 18，2325-2329. 2:K. T. Lee, Y. S. Jung, S. M. Oh, Journal of the American Chemical Society2003，125，5652-5653.3:J. Liu, W. Li, A. Manthiram，Chemical Com muni cat ion s 2010, 46，1437-1439. 4: G. Cuij Y. -S. Huj L. Zhij D. Wuj I. Lieberwirth, J. Maier, K. Muellen，Small2007，3，2066-2069. 5:X. Zhou, L. -J. Wan, Y. _G. Guoj Advanced Materials2013, 25，2152-2157. )D
三、
【发明内容】
3[0004]本发明旨在提供一种碳包覆二氧化锡超微粉体锂离子电池负极材料的制备方法，所要解决的技术问题是提高二氧化锡负极容量并改善大电流放电能力。
[0005]本发明选择非极性、高沸点的溶剂，锡的前驱体通过反应可以形成锡的长链脂肪酸的溶液，在一定温度下连续不断的鼓入空气，即可制得二氧化锡纳米晶体，然后在氮气氛围中煅烧得到碳包覆二氧化锡超微粉体(Sn02/C)。
[0006]本发明碳包覆二氧化锡超微粉体锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤操作:
[0007]I)将锡的前驱体和长链脂肪酸加入溶剂中，在室温中抽真空(0.05mbar)30分钟，加热到100-120°C，再抽真空30分钟，以除去低沸点的杂质；在氮气气氛下将反应液升温至200-280°C，然后向反应液中不断的鼓入空气l_2h，空气流速为3-4cm3/s，得到二氧化锡纳米晶溶液；升温过程需要在氮气气氛下进行，避免在升温的过程中被氧化，不利于二氧化锡纳米晶尺寸的控制；
[0008]2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并真空干燥后得到二氧化锡纳米晶；
[0009]3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于400_600°C煅烧3h，二氧化锡表面的长链脂肪酸转化为碳，从而得到碳包覆二氧化锡粉体；
[0010]所述锡的前驱体选自氢氧化锡或有机锡；所述有机锡优选辛酸亚锡或乙酰丙酮锡。
[0011]所述长链脂肪酸为C原子数> 12的饱和或不饱和脂肪酸；
[0012]所述溶剂选自C原子数> 12的长链烃、C原子数> 12的长链脂肪胺、咪唑类离子液体中的一种或几种。
[0013]所述C原子数> 12的长链烃优选十八烯或十八烷，所述C原子数> 12的长链脂肪胺优选油胺，所述咪唑类离子液体优选3-甲基咪唑卤化物离子液体。
[0014]所述长链脂肪酸选自月桂酸、豆蘧酸、棕榈酸、棕榈烯酸、油酸(0A)、硬脂酸、软脂酸、花生酸、山嵛酸或蜡酸。
[0015]本发明锡的前驱体若为氢氧化锡，则最好使用新制的氢氧化锡(较易溶解于高沸点溶剂)，制备方法如下:
[0016]将3.5g五水合四氯化锡(SnCl4.5H20)溶于IOOmL水中，搅拌下加入IOOmL浓度
0.4mol/L的NaOH溶液，水解2h后抽滤、洗涤并真空干燥得到氢氧化锡水合物。
[0017]将本发明碳包覆二氧化锡超微粉体(Sn02/C)制成锂离子电池，进行性能测试。
[0018]按活性物质(Sn02/C):乙炔黑:N-甲基吡咯烷酮(NMP)的质量配比为7:2:1的比例配置浆料，球磨后，均匀涂覆于铜箔，烘干，辊压，冲片(Φ8πιπι)，制成工作电极。以锂片为对电极，电解液为IM六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)的溶液，EC = DMC体积比为1:1。采用聚丙烯微孔膜(Celgard2400)为电池隔膜，组装成CR2025测试电池，在水、氧含量都低于Ippm的手套箱中组装，静置24h后，用于电池测试。
[0019]与已有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0020]本发明制备的碳包覆二氧化锡超微粉体比表面积大，在充放电过程中，有很大的空间储存锂离子，结构稳定，碳包覆的结构能使碳包覆二氧化锡超微粉体材料在充放电过程中不易坍塌，从而具有良好的循环性能和大电流充放电性能。通过调节合成温度与反应时间，该工艺容易实现产物尺寸调控，能够与现有工业流化床工艺对接。
[0021]本发明所使用的锡的前驱体均为空气中物理化学性质稳定的化合物，合成方法简单，可连续操作，实验剂量容易放大，成本低廉，产率高达90%。
[0022]本发明方法合成的碳包覆二氧化锡粉体的尺寸可以控制在4nm以内，且尺寸均
O
[0023]本发明方法容易实现产物与溶剂的分离，高沸点的脂肪酸、烃类等易于回收，是一项绿色技术。
四、【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明制备的碳包覆二氧化锡超微粉体的扫描电子显微镜图((a)、(b))和透射电子显微镜图((c)、(d))。从图1中可以看出碳包覆二氧化锡超微粉体纳米晶体呈近球形，尺寸均匀，平均直径3_5nm。
[0025]图2是本发明的二氧化锡纳米晶溶液的紫外吸收光谱图:(a)于200_280°C下不同反应时间的紫外吸收光谱图(b)根据光谱图推出的(a h V )2 - h V。从图2中可以看出二氧化锡纳米晶体溶液在合成过程中，带隙值随时间的增长而增大，约为3.83-3.9eV，大于普通块状二氧化锡(3.6Ev)，表明二氧化锡纳米晶具有量子限域效应。
[0026]图3是本发明制备的碳包覆二氧化锡超微粉体模拟电池的前3次充放电的CV图(电流为0.5C)。从图3中可以看出模拟电池在前3次充放电过程的氧化还原峰。
[0027]图4是本发明制备的碳包覆二氧化锡超微粉体模拟电池的充放电性能图:(a)前20次充放电的容量-电压图(电流为0.5C) ; (b)前5次充放电过程的电压-时间图(电流为0.5C)。从图4中可以看出0.5C时容量为1000mAh.g—1，表明Sn02/C是一种优越的锂电负极材料，具有较高的容量。
[0028]图5是本发明制备的碳包覆二氧化锡超微粉体模拟电池的循环性能图:(a) 0.5C电流下前50次放电容量图；(b)分别在0.5C~8C电流下前40次的放电容量图。从图5中可以看出模拟电池在0.5C~8C倍率充放电容量衰减较慢，表明碳包覆二氧化锡超微粉体模拟电池在低倍率和高倍率碳包覆二氧化锡超微粉体模拟电池具有良好的循环性能。
五、【具体实施方式】
[0029]实施例1:
[0030]I)将新制的氢氧化锡水合物0.18g、2.6ml油酸(0A)、L0ml油胺(OLA)和IOml十八烯(ODE)混合，在室温中抽真空(0.05mbar) 30分钟，加热到100°C，再抽真空30分钟，以除去低沸点的杂质；在氮气氛围下，将反应液升温至280°C，然后向反应液中不断的鼓入空气1.5h，得到二氧化锡纳米晶溶液，空气流速为3-4cm3/s ；
[0031]2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并于60°C真空干燥后得到二氧化锡纳米晶，滤液通过常压、真空分级蒸馏，回收循环使用；
[0032]3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于400_600°C煅烧3h，得到碳包覆二氧化锡粉体，尺寸为8-10nm。
[0033]实施例2:
[0034]I)将新制的氢氧化锡水合物0.18g、2.6ml油酸(0A)、L0ml油胺(OLA)和IOmlCN 103531747 A
书
明
说
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十八烯（ODE)混合，在室温中抽真空（0. 05mbar) 30分钟，加热到100°C，再抽真空30分钟， 以除去低沸点的杂质；在氮气氛围下，将反应液升温至250°C，然后向反应液中不断的鼓入 空气I. 5h，得到二氧化锡纳米晶溶液，空气流速为3-4cm3/s ；
[0035]2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并于60°C 真空干燥后得到二氧化锡纳米晶，滤液通过常压、真空分级蒸馏，回收循环使用；
[0036]3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于600°C煅烧3h，得到碳包覆二氧化锡粉 体，尺寸为4_5nm。
[0037]实施例3 ：
[0038]I)将新制的氢氧化锡水合物0. 18g、2.6ml油酸（0A)、1.0ml油胺（OLA)和IOml 十八烯（ODE)混合，在室温中抽真空（0. 05mbar) 30分钟，加热到100°C，再抽真空30分钟， 以除去低沸点的杂质；在氮气氛围下，将反应液升温至280°C，然后向反应液中不断的鼓入 空气45min，得到二氧化锡纳米晶溶液，空气流速为3-4cm3/s ；
[0039]2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并于60°C 真空干燥后得到二氧化锡纳米晶，滤液通过常压、真空分级蒸馏，回收循环使用；
[0040]3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于600°C煅烧3h，得到碳包覆二氧化锡粉 体，尺寸为5_6nm。
[0041]实施例4:
[0042]I)将辛酸亚锡0. 90g、2ml油酸（0A)、0. 5ml油胺（OLA)和8ml十八烯（ODE)混合， 在室温中抽真空（0. 05mbar) 30分钟，加热到120°C，再抽真空30分钟，以除去低沸点的杂 质；在氮气氛围下，将反应液升温至230°C，然后向反应液中不断的鼓入空气1.5h，得到二 氧化锡纳米晶溶液，空气流速为3-4cm3/s ；
[0043]2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并于60°C 真空干燥后得到二氧化锡纳米晶，滤液通过常压、真空分级蒸馏，回收循环使用；
[0044]3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于600°C煅烧3h，得到碳包覆二氧化锡粉 体，尺寸为4_5nm。
[0045]实施例5 ：
[0046]I)将乙酰丙酮锡0. 95g、2ml油酸（OA)和8ml油胺（OLA)混合，在室温中抽真空 (0. 05mbar)30分钟，以除去低沸点的杂质；在氮气气氛下将反应液升温至200°C，然后向反 应液中不断的鼓入空气I. 5h，得到二氧化锡纳米晶溶液，空气流速为3-4cm3/s ；
[0047]2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并于60°C 真空干燥后得到二氧化锡纳米晶，滤液通过常压、真空分级蒸馏，回收循环使用；
[0048]3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于450°C煅烧3h，得到碳包覆二氧化锡粉 体，尺寸为6_8nm。
[0049]实施例6 ：
[0050]I)将乙酰丙酮锡0. 95g、2ml硬脂酸和8ml ODE混合，在室温中抽真空（0. 05mbar) 30分钟，以除去低沸点的杂质；在氮气气氛下将反应液升温至200°C，然后向反应液中不断 的鼓入空气I. 5h，得到二氧化锡纳米晶溶液，空气流速为3-4cm3/s ；
[0051]2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并于60°C 真空干燥后得到二氧化锡纳米晶，滤液通过常压、真空分级蒸馏，回收循环使用；
6[0052]3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于450°C煅烧3h，得到碳包覆二氧化锡粉体，尺寸为6_8nm。
[0053]实施例7:
[0054]I)将乙酰丙酮锡0.95g、2ml油酸和8ml溴化1-己基_3_甲基咪唑离子液体(市购)混合，在室温中抽真空(0.05mbar)30分钟，以除去低沸点的杂质；在氮气气氛下将反应液升温至200°C，然后向反应液中不断的鼓入空气1.5h，得到二氧化锡纳米晶溶液，空气流速为 3_4cm3/s ；
[0055]2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并于60°C真空干燥后得到二氧化锡纳米晶，滤液通过常压、真空分级蒸馏，回收循环使用；
[0056]3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于450°C煅烧3h，得到碳包覆二氧化锡粉体,尺寸为8-10nm。
[0057]本发明利用价格低廉的锡化物作为前驱体，所得到的产品采用扫描电子显微镜(SEM图1 (a)、(b)和透射电子显微镜(TEM，图1 (c)、(d))以及紫外可见吸收光谱(Abs)(图
2)等方法进行表征分析。并将产品制成半电池进行充放电性能测试(图4，图5)
[0058]结果表明，本发明制备的碳包覆二氧化锡粉体呈近球形，尺寸均匀，平均直径可以通过合成温度与生长时间调控(图2)，碳膜包覆的二氧化锡材料在锂离子电池性能测试中表现出了高的容量，0.5C时容量为IOOOmAh.g_1,8C时容量480mAh.g'表明Sn02/C是一种优越的锂电负极材料，在低倍率和高倍率充放电过程中都表现出了优异的性能。
【权利要求】
1.一种碳包覆二氧化锡超微粉体锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于包括以 下步骤操作：1)将锡的前驱体和长链脂肪酸加入溶剂中，在室温中抽真空30分钟，加热到 100-120°C，再抽真空30分钟，在氮气气氛下升温至200-280°C，然后向反应液中不断的鼓 入空气l_2h，得到二氧化锡纳米晶溶液；2)将二氧化锡纳米晶溶液降至常温，加入甲醇或异丙醇沉淀，过滤、洗涤并真空干燥后 得到二氧化锡纳米晶；3)将二氧化锡纳米晶置于氮气气氛中于400-600°C煅烧3h，得到碳包覆二氧化锡粉体；所述锡的前驱体选自氢氧化锡或有机锡；所述长链脂肪酸为C原子数> 12的饱和或不饱和脂肪酸；所述溶剂选自C原子数> 12的长链烃、C原子数> 12的长链脂肪胺、咪唑类离子液体 中的一种或几种。
2.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于：所述长链脂肪酸选自月桂酸、豆蘧酸、棕榈酸、棕榈烯酸、油酸、硬脂酸、软脂酸、花生 酸、山嵛酸或蜡酸。
3.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于：所述有机锡选自辛酸亚锡或乙酰丙酮锡。
4.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于：步骤I)中鼓入空气时的空气流速为3-4cm3/s。
【文档编号】H01M4/38GK103531747SQ201310487978
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】苗世顶, 丁丽平, 何淑莲, 陈德超, 叶伟, 杨婷 申请人:合肥工业大学