本发明涉及无机微纳米材料制备技术领域，更具体地，涉及一种硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球的制备方法及在锂离子电池负极中的应用。
背景技术：
当代社会，能源问题无疑已经成为全球重大问题之一，引起了广泛的关注，寻找新型材料能够在能量储存和使用方面有特别的效果已经成为科学工作者的重要任务之一。锂离子电池具有高的比能量、无记忆效应、环境友好等优异性能,在移动电话和笔记本电脑等便携式移动电器中得到了广泛的应用。目前锂离子电池的负极材料主要采用石墨材料，这些石墨材料具有较好的循环稳定性能，但是其容量较低。锂离子电池的性能很大程度上取决于电极材料的性能，尤其是负极材料的性能，不仅要求负极材料具有高的电化学储锂比容量，而且具有优异的循环稳定性能。
近年来，基于插层和转化储锂机理的层状过渡金属硫化物如二硫化钼、二硫化钨纳米片等由于具有较高的可逆储锂容量而受到广泛的关注。但是二硫化钼、二硫化钨等为宽带隙的半导体材料，导电性能不好，并且钼、钨等均属重金属，不仅价格较高而且会对环境产生危害。具有类似层状结构的非过渡金属硫化物如硫化亚锡sns纳米片的制备及作为锂离子电池负极材料的研究近来才开始兴起。研究表明，体相sns具有较高的理论可逆储锂容量(～782mah/g)。现有技术中还没有硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球。
技术实现要素：
本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球。
本发明的又一目的在于提供上述硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球在锂离子电池负极中的应用。
本发明的又一目的在于提供一种锂离子电池负极。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球的制备方法，包括如下步骤：
s1.制备氨基葡萄糖盐酸盐和锡酸钠的水溶液，所述氨基葡萄糖盐酸盐的浓度为0.10~0.25mol/l，所述锡酸钠的锡酸根离子的浓度为0.02~0.07mol/l；
s2.在s1的水溶液中加入l-半胱氨酸，得到混合溶液；
s3.所述混合溶液经水热反应得到前驱体，所述水热反应的条件为180~220℃保持12h以上；
s4.所述前驱体在惰性气氛中煅烧，制得硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球，所述煅烧的条件为600~800℃保持2h以上。
氨基葡萄糖盐酸盐在溶液中电离出带正电的质子化的氨基葡萄糖离子，与作为反应物的带负电的锡酸根离子存在强烈的静电吸引作用，这为两种组分很好地复合形成花球提供了条件。在水热过程中锡酸根离子与l-半胱氨酸分解释放出的硫化氢反应生成二硫化锡纳米片，与质子化的氨基葡萄糖碳化形成的含氮无定形碳质材料很好地结合在一起形成复合材料。在随后的热处理过程中，二硫化锡会发生一个相转化反应：sns2=sns+s转变为硫化亚锡，同时含氮碳质材料会形成氮掺杂的碳，氮的掺杂将极大地改善碳材料的电化学性质，氮的掺杂能够极大地改善碳材料的电化学性质，高导电的氮掺杂碳材料不仅有助于提高硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球的导电性，也使硫化亚锡具有更好的结构稳定性。
经过水热和热处理过程，制备得到硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球，是一种新奇的三维异质复合纳米材料，这种新奇的三维异质复合纳米材料不仅具有较多的储锂活性位，并且可以提供较多的短的锂离子扩散通道，有助于增强其电化学储锂性能。而且，其制备方法具有简单、方便和易于扩大工业化应用的特点。
氨基葡萄糖盐酸盐的浓度为0.10~0.25mol/l，锡酸钠的锡酸根离子的浓度为0.02~0.07mol/l；如果氨基葡萄糖盐酸盐的浓度过大，也就是氨基葡萄糖盐酸盐与锡酸根离子的比例过大，则制备得到的复合材料中碳含量过高，由于碳的储锂容量较低，因此会造成整个复合材料的储锂容量降低；如果氨基葡萄糖盐酸盐的浓度过低，也就是氨基葡萄糖盐酸盐与锡酸根离子的比例过小，则制备得到的复合材料中碳含量过低，一方面造成材料的导电性较差，另一方面碳材料不足，则很难完全将硫化亚锡包裹起来，无法有效缓解硫化亚锡在充放电时产生的巨大的体积效应，导致材料的粉化，造成容量的迅速衰减。
l-半胱氨酸作为硫源，能够在水热条件下与锡源生成二硫化锡。此外还应注意，由于锡源采用的锡酸钠，是一个偏碱性的盐，如果硫源采用的仍是偏碱性的硫脲或硫化钠或硫代乙酰胺，则水热反应是不能生成纯相的二硫化锡，会有少量的二氧化锡杂质。因此这时要使用偏酸性的硫源如l-半胱氨酸。
水热反应的温度应为180~220℃，如果温度过低，则不利于氨基葡萄糖盐酸盐碳化，如果温度过高，则水热反应釜内压力过高，会产生危险。
煅烧的温度为600~800℃，如果温度过低，则二硫化锡转化不完全，不利于制备硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球；如果温度过高，则会造成硫化亚锡分解。
所述惰性气氛包括氮气气氛、氩气气氛。
优选地，所述氨基葡萄糖盐酸盐的浓度为0.15mol/l，所述锡酸钠的锡酸根离子的浓度为0.05mol/l。
复合材料的性能取决于其结构、形貌和组成。在合适的反应条件下（如合适的反应物浓度和配比、反应温度、反应时间）下，适量的氮掺杂碳材料能将硫化亚锡纳米片很好的复合，既增强了材料的导电能力，提高了电极材料在大电流下的充放电特性，也有效缓解了充放电时硫化亚锡产生的体积膨胀效应，增强了材料微观结构的稳定性，提高了电极材料的循环稳定性；同时在碳材料与硫化亚锡之间形成多个界面，在界面处也会形成新的储锂活性位，从而提高了储锂容量，这就是两者之间所产生的协同效应。
优选地，所述l-半胱氨酸与锡酸钠的摩尔比为2~7:1。l-半胱氨酸与锡酸钠的摩尔比不能过大，否则，反应体系中会产生大量过量的硫化氢气体，将导致水热反应釜中气压过大。
优选地，所述水热反应的条件为180~220℃保持12~24h。一般水热反应12~24h即可，无需反应过长时间。
优选地，所述煅烧的条件为600~800℃保持2~4h。一般煅烧2~4h即可，无需煅烧过长时间。
一种锂离子电池负极，包括活性物质，所述活性物质包括上述硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球。
将上述硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球作为锂离子电池负极的电化学储锂的活性物质，与乙炔黑及聚偏氟乙烯的n-甲基吡咯烷酮溶液在搅拌下充分混合，调成均匀的浆料，将该浆料均匀地涂到作为集流体的铜箔上，干燥，滚压得到复合电极。该复合电极能够用于锂离子电池负极。该复合电极的组分及其质量百分比含量为：硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球75-80%，乙炔黑5-10%，聚偏氟乙烯10-15%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用氨基葡萄糖盐酸盐、锡酸钠和l-半胱氨酸通过水热反应并煅烧制备得到硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球，制得的硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球具有较大的比表面积，具有较多的储锂活性位，并且可以提供较多的短的锂离子扩散通道，有助于增强其电化学储锂性能，在锂离子电池中表现出高的比容量和优异的循环稳定性能。而且，其制备方法具有简单、方便和易于扩大工业化应用的特点。
附图说明
图1为实施例1制得的硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球的x射线衍射图。
图2为实施例1制得的硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
硫化亚锡的含量、氮含量、碳含量的测试方法：
采用元素色散x射线能谱edx来测试复合材料中各元素含量。
实施例中的氨基葡萄糖盐酸盐、锡酸钠、l-半胱氨酸以及乙炔黑、聚偏氟乙烯的n-甲基吡咯烷酮溶液为本领用常用的试剂，均通过市售得到。
实施例1
在搅拌下将11mmol的氨基葡萄糖盐酸盐溶于60ml去离子水中形成溶液，即氨基葡萄糖盐酸盐的浓度为0.18mol/l；在搅拌下加入3mmol的锡酸钠，即锡酸钠的浓度为0.05mol/l；在搅拌下，缓慢加入15mmol的l-半胱氨酸，全部溶解后最后将此溶液转移至100ml内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中。置于干燥箱中，于200℃下水热反应24小时。然后自然冷却至室温，然后用去离子水和无水乙醇分别漂洗三遍，离心分离并于60℃真空干燥12小时得到水热产品。将一定量的水热产品置于瓷舟内，放入管式炉中，在氩气气氛下于600℃煅烧2小时，自然冷却至室温得到产品。
产品的x射线衍射图见图1，图中硫化亚锡各衍射峰位置及强度均与标准衍射卡片(jcpds39-0354)一致。其扫描电镜图见图2，图2(a)显示产品为尺寸和形貌较为均匀的三维结构的花球，平均直径约为2.2µm。图2(b)显示花球的表面结构分布着许多纳米片并形成多孔结构。
制得的硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球中硫化亚锡的含量为72.66%，氮含量为1.96%，碳含量为16.22%。
将上述制备的硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球作为电化学储锂的活性物质，与乙炔黑及聚偏氟乙烯的n-甲基吡咯烷酮溶液在搅拌下充分混合调成均匀的浆料，将该浆料均匀地涂到作为集流体的铜箔上，110℃下真空干燥，再滚压得到复合电极，复合电极中各组分质量百分比为：硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球75%，乙炔黑10％，聚偏氟乙烯15％。
电化学储锂性能测试：用锂片作为对电极，电解液为1.0mlipf6的ec/dmc溶液(1:1，体积比)，隔膜是聚丙烯膜(celguard-2300)，在充满氩气的手提箱中组装成二电极测试电池，电池恒电流充放电测试在程序控制的自动充放电仪器上进行，充放电电流密度100ma/g，电压范围0.005~3.00v。
电化学测试结果显示：硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球制成的复合电极首次循环可逆容量为1094mah/g，50次循环后可逆容量为984mah/g，显示了高的比容量和优异的循环稳定性能。
实施例2
本实施例为本发明硫化亚锡/氮掺杂碳复合花球的第二实施例，与实施例1不同的是，氨基葡萄糖盐酸盐的加入量为14mmol，即氨基葡萄糖盐酸盐的浓度为0.23mol/l；其他原料及步骤与实施例1相同。
产品的x射线衍射图与实施例1一致；扫描电镜测试显示平均直径为2.8µm；
首次循环可逆容量为1026mah/g，复合电极50次循环后可逆容量为925mah/g。
实施例3
与实施例1不同的是，氨基葡萄糖盐酸盐的加入量为9mmol，即氨基葡萄糖盐酸盐的浓度为0.15mol/l；其他原料及步骤与实施例1相同。
产品的x射线衍射图与实施例1一致；扫描电镜测试显示平均直径为1.9µm；
首次循环可逆容量为1112mah/g，复合电极50次循环后可逆容量为1020mah/g。
实施例4
与实施例1不同的是，氨基葡萄糖盐酸盐的加入量为6mmol，即氨基葡萄糖盐酸盐的浓度为0.10mol/l；锡酸钠的加入量为1.2mmol，即锡酸根离子的浓度为0.02mol/l；其他原料及步骤与实施例1相同。
产品的x射线衍射图与实施例1一致；扫描电镜测试显示平均直径为0.9µm；
首次循环可逆容量为974mah/g,复合电极50次循环后可逆容量为784mah/g。
实施例5
与实施例1不同的是，氨基葡萄糖盐酸盐的加入量为15mmol，即氨基葡萄糖盐酸盐的浓度为0.25mol/l；锡酸钠的加入量为4.2mmol，即锡酸根离子的浓度为0.07mol/l；其他原料及步骤与实施例1相同。
产品的x射线衍射图与实施例1一致；扫描电镜测试显示平均直径为3.0µm；
首次循环可逆容量为965mah/g，复合电极50次循环后可逆容量为841mah/g。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。