一种铌酸锡纳米板及其制备方法和在制备锂电池中的应用与流程

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)纳米板及其制备方法和在制备锂电池中的应用。

背景技术：

锂离子电池因其具有充电速度快，循环寿命长，能量密度高，安全无污染等优点，已广泛应用于各种便携式电子设备以及混合动力汽车等方面。随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，对于锂离子电池的综合性能也有了更高的要求。目前，商业化锂离子电池的负极材料主要以碳材料为主，但是其较低的理论容量(372mahg^-1)、安全性能欠佳等问题，无法满足新一代高比容量电池负极材料的要求。因此，寻找一种合适的化合物替代目前所用的碳材料，以提高锂离子电池的能量密度和安全性能是一个十分重要的课题。锡基材料具有较高的嵌锂容量，并且其自然界储量比较丰富、价格低廉，得到了研究者们的广泛关注，被认为是最有应用潜力的新型电极材料。

技术实现要素：

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纳米板及其制备方法和在制备锂电池中的应用，本发明提供的sn2nb2o7纳米板的制备方法，具有制备工艺简单易操作、合成成本低、重复性好等优点；同时，制备的sn2nb2o7纳米板具有纯度高、性能优异等特点，适合大规模生产；该sn2nb2o7纳米板作为锂离子电池的工作电极时，具有更高的比容量、良好的倍率性能以及循环性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种sn2nb2o7纳米板的制备方法，包括以下步骤：

1)按照(0.4-0.7)g：0.84g：(30-50)ml的料液比称/量取nb2o5、koh和乙醇水溶液，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液a；

2)将混合溶液a于200-250℃水热反应12h-24h，得到物质b；

3)将水热反应生成的物质b冷却；

4)将冷却后的物质b离心、洗涤、干燥，得到k4nb6o17；

5)按照0.5g：(0.5-2.5)g：(2-5)g：(20-40)ml的的料液比称/量取k4nb6o17、sncl2·2h2o、na3c6h5o7·2h2o和氢氧化钠水溶液，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液c；

6)将混合溶液c于120-240℃水热反应12h-24h，得到物质d；

7)将水热反应生成的物质d冷却；

8)将冷却后的物质d离心、洗涤、干燥，得到sn2nb2o7纳米板。

步骤1)中，乙醇水溶液中无水乙醇的质量百分数为30％-50％。

步骤3)和步骤7)中，冷却采用自然冷却至室温。

步骤4)和步骤8)中，洗涤采用去离子水和无水乙醇各洗涤数次。

步骤4)和步骤8)中，干燥温度为40-80℃，干燥时间为1h。

步骤5)中，氢氧化钠水溶液的浓度为0.1-0.5mol/l。

本发明还公开了采用上述方法制得的sn2nb2o7纳米板；以及采用sn2nb2o7纳米板制备锂离子电池工作电极的方法，其特征在于：将质量百分比为(70-80)：(10-15)：(10-20)的sn2nb2o7纳米板、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，得到锂离子电池工作电极。

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纳米板的制备方法，先用nb2o5、koh和乙醇水溶液水热反应制备出k4nb6o17，再用k4nb6o17、sncl2·2h2o、na3c6h5o7·2h2o和氢氧化钠水溶液水热反应制备出sn2nb2o7纳米板。该方法制备工艺简单易操作、合成成本低、重复性好。相比较于传统的固相法和两步水热法，本发明公开的sn2nb2o7的制备方法使得样品具备新型的板状形貌。

使用本发明制备方法制得的sn2nb2o7纳米板纯度高、结晶性好，适合大规模生产。

sn2nb2o7作为一种新型的锡基电极材料，具有较高的比容量。使用该sn2nb2o7纳米板作为工作电极的锂离子电池，具有良好的倍率性能和循环性能。

附图说明

图1为本发明制备的sn2nb2o7纳米板的x射线衍射(xrd)图谱；

图2为本发明制备的sn2nb2o7纳米板的扫描电镜(sem)照片；

图3为本发明制备的sn2nb2o7纳米板的透射电镜(tem)照片；

图4为本发明制备的sn2nb2o7纳米板的倍率性能图；

图5为本发明制备的sn2nb2o7纳米板的循环性能图；

图6为本发明制备的sn2nb2o7纳米板的容量电压曲线图。

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

sn2nb2o7纳米板的制备方法：

1)称/量取0.5g的nb2o5、0.84g的koh和30ml质量百分数为50％的乙醇水溶液置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液a；

2)将反应釜放入烘箱中，混合溶液a在230℃水热反应12h；

3)将水热反应生成的物质b自然冷却至室温；

4)将冷却后的物质b离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，40℃干燥1h，得到k4nb6o17；

5)称/量取0.5g的k4nb6o17，1g的sncl2·2h2o、3g的na3c6h5o7·2h2o和40ml浓度为0.1mol/l的氢氧化钠水溶液，置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液c；

6)将反应釜放入烘箱中，混合溶液c在180℃水热反应12h；

7)将水热反应生成的物质d自然冷却至室温；

8)将冷却后的物质d离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，40℃干燥1h，得到sn2nb2o7。

采用得到的sn2nb2o7纳米板制作锂离子电池负极的方法：

将得到的sn2nb2o7与羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulosesodium)和乙炔黑(acetyleneblack)按照70:10:20的重量百分比混合，充分研磨后，加入适量的水配置成均匀的浆料，将混合浆料均匀地涂布在铜片上制成锂离子电池的工作电极。

实施例2

sn2nb2o7纳米板的制备方法：

1)称/量取0.4g的nb2o5、0.84g的koh和50ml质量百分数为30％的乙醇水溶液置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液a；

2)将反应釜放入烘箱中，混合溶液a在250℃水热反应18h；

3)将水热反应生成的物质b自然冷却至室温；

4)将冷却后的物质b离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，60℃干燥1h，得到k4nb6o17；

5)称/量取0.5g的k4nb6o17，1.5g的sncl2·2h2o、4g的na3c6h5o7·2h2o和20ml浓度为0.2mol/l的氢氧化钠水溶液，置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液c；

6)将反应釜放入烘箱中，混合溶液c在200℃水热反应12h；

7)将水热反应生成的物质d自然冷却至室温；

8)将冷却后的物质d离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，60℃干燥1h，得到sn2nb2o7。

采用得到的sn2nb2o7纳米板制作锂离子电池负极的方法：

将得到的sn2nb2o7与羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulosesodium)和乙炔黑(acetyleneblack)按照80:10:10的重量百分比混合，充分研磨后，加入适量的水配置成均匀的浆料，将混合浆料均匀地涂布在铜片上制成锂离子电池的工作电极。

实施例3

sn2nb2o7纳米板的制备方法：

1)称/量取0.6g的nb2o5、0.84g的koh和40ml质量百分数为40％的乙醇水溶液置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液a；

2)将反应釜放入烘箱中，混合溶液a在200℃水热反应24h；

3)将水热反应生成的物质b自然冷却至室温；

4)将冷却后的物质b离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，50℃干燥1h，得到k4nb6o17；

5)称/量取0.5g的k4nb6o17，2.5g的sncl2·2h2o、4g的na3c6h5o7·2h2o和35ml浓度为0.5mol/l的氢氧化钠水溶液，置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液c；

6)将反应釜放入烘箱中，混合溶液c在240℃水热反应16h；

7)将水热反应生成的物质d自然冷却至室温；

8)将冷却后的物质d离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，50℃干燥1h，得到sn2nb2o7。

采用得到的sn2nb2o7纳米板制作锂离子电池负极的方法：

将得到的sn2nb2o7与羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulosesodium)和乙炔黑(acetyleneblack)按照70:15:15的重量百分比混合，充分研磨后，加入适量的水配置成均匀的浆料，将混合浆料均匀地涂布在铜片上制成锂离子电池的工作电极。

实施例4

sn2nb2o7纳米板的制备方法：

1)称/量取0.5g的nb2o5、0.84g的koh和35ml质量百分数为40％的乙醇水溶液置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液a；

2)将反应釜放入烘箱中，混合溶液a在230℃水热反应14h；

3)将水热反应生成的物质b自然冷却至室温；

4)将冷却后的物质b离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，80℃干燥1h，得到k4nb6o17；

5)称/量取0.5g的k4nb6o17，2g的sncl2·2h2o、4g的na3c6h5o7·2h2o和40ml浓度为0.1mol/l的氢氧化钠水溶液，置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液c；

6)将反应釜放入烘箱中，混合溶液c在180℃水热反应24h；

7)将水热反应生成的物质d自然冷却至室温；

8)将冷却后的物质d离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，80℃干燥1h，得到sn2nb2o7。

采用得到的sn2nb2o7纳米板制作锂离子电池负极的方法：

将得到的sn2nb2o7与羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulosesodium)和乙炔黑(acetyleneblack)按照70:10:20的重量百分比混合，充分研磨后，加入适量的水配置成均匀的浆料，将混合浆料均匀地涂布在铜片上制成锂离子电池的工作电极。

实施例5

sn2nb2o7纳米板的制备方法：

1)称/量取0.5g的nb2o5、0.84g的koh和30ml质量百分数为30％的乙醇水溶液置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液a；

2)将反应釜放入烘箱中，混合溶液a在230℃水热反应24h；

3)将水热反应生成的物质b自然冷却至室温；

4)将冷却后的物质b离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，70℃干燥1h，得到k4nb6o17；

5)称/量取0.5g的k4nb6o17，1.5g的sncl2·2h2o、3.5g的na3c6h5o7·2h2o和35ml浓度为0.1mol/l的氢氧化钠水溶液，置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液c；

6)将反应釜放入烘箱中，混合溶液c在220℃水热反应12h；

7)将水热反应生成的物质d自然冷却至室温；

8)将冷却后的物质d离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，70℃干燥1h，得到sn2nb2o7。

采用得到的sn2nb2o7纳米板制作锂离子电池负极的方法：

将得到的sn2nb2o7与羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulosesodium)和乙炔黑(acetyleneblack)按照75:15:10的重量百分比混合，充分研磨后，加入适量的水配置成均匀的浆料，将混合浆料均匀地涂布在铜片上制成锂离子电池的工作电极。

实施例6

sn2nb2o7纳米板的制备方法：

1)称/量取0.7g的nb2o5、0.84g的koh和50ml质量百分数为40％的乙醇水溶液置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液a；

2)将反应釜放入烘箱中，混合溶液a在230℃水热反应16h；

3)将水热反应生成的物质b自然冷却至室温；

4)将冷却后的物质b离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，50℃干燥1h，得到k4nb6o17；

5)称/量取0.5g的k4nb6o17，2g的sncl2·2h2o、3g的na3c6h5o7·2h2o和30ml浓度为0.4mol/l的氢氧化钠水溶液，置于内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，充分搅拌混合均匀，制成混合溶液c；

6)将反应釜放入烘箱中，混合溶液c在120℃水热反应18h；

7)将水热反应生成的物质d自然冷却至室温；

8)将冷却后的物质d离心后，采用去离子水和无水乙醇洗涤数次后放入真空干燥箱，50℃干燥1h，得到sn2nb2o7。

采用得到的sn2nb2o7纳米板制作锂离子电池负极的方法：

将得到的sn2nb2o7与羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulosesodium)和乙炔黑(acetyleneblack)按照70:15:15的重量百分比混合，充分研磨后，加入适量的水配置成均匀的浆料，将混合浆料均匀地涂布在铜片上制成锂离子电池的工作电极。

采用本发明制得的sn2nb2o7纳米板作为锂离子电池的工作电极，电解液为浓度1moll^-1六氟磷酸锂(lipf6)，溶剂为碳酸亚乙酯(ethylenecarbonate)、碳酸二甲酯(dimethylcarbonate)和碳酸二乙酯(diethylcarbonate)体积比为1:1:1的混合溶液，金属锂片作为对电极，组装成swagelok半电池，所有组装均在充满氩气的手套箱里进行。

从图1可以看出，本发明制备的纳米板的物相为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纳米板的尺寸为1-2μm；从图4-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363mahg^-1。在电流密度为0.2ag^-1、0.5ag^-1、1.0ag^-1、2.0ag^-1条件下分别循环10圈，sn2nb2o7电极的比容量分别为608mahg^-1、489mahg^-1、364mahg^-1、175mahg^-1，表明其具有良好的循环性能和倍率性能。