纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料及其制备方法与流程

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池被广泛地应用在电子产品，电动汽车以及储能系统等领域。但是，目前所使用的商用石墨负极材料，由于其较低的理论容量(372mah/g)以及较弱的倍率性能，迫使人们追求新的高性能锂离子电池负极材料。

锡具有较高的理论容量(992mah/g，7262mah/cm^-3)并且含量丰富、无毒，从而有望取代石墨成为新一代负极材料。然而，锡在充放电过程中存在严重的体积变化，会导致电极材料的粉化甚至脱落，从而缩短了锡的循环寿命。

通过减小锡的尺寸到纳米级别，利用纳米颗粒具有快速应力释放以及较短的锂离子扩散距离的优点，可以在一定程度上提高锡的循环性能。但是随着循环的进行，纳米颗粒会逐渐发生团聚，其将导致循环性能的下降。

因此，一些研究者将纳米锡和碳材料形成复合物，来改善这一现象。碳材料作为一种缓冲基体，在一定程度上能限制住锡的进一步粉化与团聚，从而提高循环性能。zhang等人将锡源和葡萄糖进行水热处理和后期的热处理得到了多孔的sn@c纳米复合物(nanoscale,2015,7,11940-11944.)。在0.2a/g下，经过200个循环后，该电极仍然具有865mah/g的高比容量。然而，该材料具有多孔结构且较大的比表面积，因此其振实密度和首次库伦效率不会高(仅仅只有67.3％)。

也有研究者将氮原子引入到碳材料中，形成氮掺杂碳材料(adv.mater,2017,29,1603692)。氮原子的引入，增加了电子转移和更多的锂离子储存与接触位点，从而提高了碳材料的比容量和倍率性能。氮源的选择有很多种，有氨气、尿素及含氮的有机物等，但是大部分氮源有毒、不环保或者成本较高。

因此，开发一种简单、有效，且利于规模化生产的方法，结合氮掺杂碳的优点，将锡纳米颗粒并入于氮掺杂碳材料中，从而获得高首次库伦效率、比容量、高倍率和循环稳定性的锂离子电池负极材料具有重大意义和实用价值。

技术实现要素：

本发明的主要目的为提供一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料及其制备方法，旨在解决现有技术中锡基负极首次库伦效率低以及循环寿命差的问题。

本发明提出一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚乙烯吡咯烷酮按照第一质量比例加入无水乙醇中，持续搅拌，溶解得到溶液；

将二水合氯化亚锡按照第二质量比例，在指定工艺下加入处于搅拌状态的所述溶液中，持续搅拌，得到混合溶液；

向处于搅拌状态的所述混合溶液中按照第一摩尔比例加入蒸馏水，持续搅拌指定时间，得到前驱体分散液；

将所述前驱体分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工艺烘干，得到前驱体；

将所述前驱体在惰性气氛下以指定热处理工艺进行热处理，得到所述纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

进一步地，所述第一质量比例包括：所述聚乙烯吡咯烷酮与所述无水乙醇的质量比包括0.015～0.15。

进一步地，所述第二质量比例包括：所述二水合氯化亚锡与所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比包括0.040～0.362。

进一步地，所述第一摩尔比例包括：所述蒸馏水与所述二水合氯化亚锡的摩尔比包括5～20。

进一步地，所述持续搅拌指定时间指持续搅拌时间包括0.5～8h。

进一步地，所述指定烘干工艺包括：烘干温度包括40℃～80℃，烘干时间包括8h～24h。

进一步地，所述指定热处理工艺包括：所述热处理的升温速率为1℃/min～8℃/min，恒温煅烧温度为600℃～1000℃，恒温保持时间为2h～10h。

进一步地，所述惰性气氛为氩气或氮气。

本发明还提出了一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料，采用上述任一项所述的一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的制备方法制成。

进一步地，所述纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中锡元素的质量分数包括为5％～50％，氮与碳的原子比范围包括2.7:97.3～7.2:92.8。

本发明的有益效果：

本发明的制备方法工艺简单，成本较低，适合大批量生产。本发明所选碳材料的前驱体为聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，便宜无毒，它既是碳源又是氮源；利用二水合氯化亚锡在pvp溶液中的原位水解生长来控制纳米颗粒的生长；经过随后的热处理，得到了纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。本发明的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料，纳米锡均匀地分散在氮掺杂碳材料中，氮掺杂碳材料不仅提高了导电性而且缓解了锡在锂化/去锂化过程中的体积膨胀、团聚效应。本发明的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料具有较高的首次库伦效率、比容量、倍率性能和容量保持率，具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明一实施例中纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的制备方法流程示意图；

图2是本发明实施例1中的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的xrd图；

图3是本发明实施例3中的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的tem图；

图4是本发明实施例3中的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的循环性能图(圆点表示放电比容量，方点表示充电比容量)；

图5是本发明实施例3中的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的倍率性能图(圆点表示放电比容量，方点表示充电比容量)；

图6是本发明对比例1中的锡负极材料的循环性能图(圆点表示放电比容量，方点表示充电比容量)。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明实施例提出了一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：将聚乙烯吡咯烷酮按照第一质量比例加入无水乙醇中，持续搅拌，溶解得到溶液；

s2：将二水合氯化亚锡按照第二质量比例，在指定工艺下加入处于搅拌状态的所述溶液中，持续搅拌，得到混合溶液；

s3：向处于搅拌状态的所述混合溶液中按照第一摩尔比例加入蒸馏水，持续搅拌指定时间，得到前驱体分散液；

s4：将所述前驱体分散液置于真空干燥箱中以指定烘干工艺烘干，得到前驱体；

s5：将所述前驱体在惰性气氛下以指定热处理工艺进行热处理，得到所述纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

本发明实施例的碳材料的前驱体为聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，分子式为(c6h9no)n，既是碳源又是氮源。

本发明实施例的二水合氯化亚锡，分子式为sncl2·2h2o，是反应的锡源。步骤s2将sncl2·2h2o加入步骤s1的溶液中，sncl2·2h2o均匀地分散在pvp高分子链段周围，利于后续纳米颗粒的均匀生长。

本发明实施例步骤s3在混合溶液中加入蒸馏水后，水会与此前均匀分布在pvp周围的sncl2·2h2o发生分解反应，形成新核且进一步生长得到纳米级别的分解产物。步骤s3利用pvp溶液以及锡源的原位水解生长来控制纳米颗粒的生长。

本发明实施例步骤s4，将前驱体分散液中的水、乙醇烘干，得到本发明实施例的前驱体。

本发明实施例步骤s5，经过热处理过程，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。本发明实施例中纳米锡均匀地分散在氮掺杂碳材料中，氮掺杂碳材料不仅提高了材料的导电性，而且缓解了锡在锂化/去锂化过程中的体积膨胀和团聚效应。

本发明实施例采用原位生长包覆法来制备纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料，工艺方法简单、成本较低，适合大批量生产。

进一步地，所述第一质量比例包括：所述聚乙烯吡咯烷酮与所述无水乙醇的质量比包括0.015～0.15。

pvp与无水乙醇的比例越高，溶液的粘度越大；pvp与无水乙醇的比例越小，溶液的粘度越小。粘度的大小影响水解反应的速率。粘度越大，反应物的扩散受阻，反应速率降低；此外，粘度越大表示pvp局部含量越高，使得水的浓度降低，从而降低了水解速率，因此，所得到的产物颗粒较小，分散均匀。粘度小则相反。此外，pvp的多少也影响最终产物的碳含量。因此，通过调节pvp的浓度可以对产物进行生长控制。

进一步地，所述第二质量比例包括：所述二水合氯化亚锡与所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为0.040～0.362。

在上述优化的sncl2·2h2o与pvp的质量比范围内，sncl2·2h2o分散效果好，不易发生团聚，而且最终产物纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中的锡的质量分数在较优的比例范围内，最终产物具备良好的容量保持率和首次库伦效率等较优的电化学性能。

进一步地，所述第一摩尔比例包括：所述蒸馏水与所述二水合氯化亚锡的摩尔比为5～20。

在上述优化的蒸馏水与sncl2·2h2o的摩尔比范围内，水均匀地混合于步骤s2的混合溶液中，sncl2·2h2o进行水解，形成的产物均匀地分散于pvp中，不会发生团聚现象。

进一步地，所述持续搅拌指定时间指持续搅拌时间包括0.5～8h。

在上述优化的搅拌时间下，sncl2·2h2o水解反应稳定，纳米颗粒的生长可控，在pvp中分散均匀，不会形成团聚颗粒。

进一步地，所述指定烘干工艺包括：烘干温度包括40℃～80℃，烘干时间包括8h～24h。

通过上述优化的烘干温度和烘干时间对前驱体分散液进行烘干，将水和乙醇烘干，采用较低温度下长时间烘干，有利于形成均匀的前驱体。

进一步地，所述指定热处理工艺包括：所述热处理的升温速率为1℃/min～8℃/min，恒温煅烧温度为600℃～1000℃，恒温保持时间为2h～10h。

通过上述优化的热处理方式，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料，其中纳米锡均匀地分散在氮掺杂碳材料中。

进一步地，所述惰性气氛为氩气或氮气。

惰性气氛下进行热处理，有利于避免材料与空气发生其它副反应。

本发明实施例还提供了一种纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料，采用上述的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的制备方法制成。纳米锡均匀地分散在氮掺杂碳材料中，氮掺杂碳材料不仅提高了导电性而且缓解了锡在锂化/去锂化过程中的体积膨胀、团聚效应。

进一步地，所述纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中锡元素的质量分数包括为5％～50％，氮与碳的原子比范围包括2.7:97.3～7.2:92.8。

在上述优化的锡和氮的比例下，本发明实施例的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料具有较高的首次库伦效率、比容量、倍率性能和容量保持率，具有较好的市场应用前景。

下面通过实施例对本发明进行进一步阐明。

实施例1

本实施例1纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料(本实施例1的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中，锡元素的质量分数为26wt％，氮与碳的原子比为2.7:97.3)的制备：

步骤一：取453mgpvp加入20ml无水乙醇中，以1000r/min的搅拌速度持续搅拌，溶解得到溶液；

步骤二：将88mgsncl2·2h2o快速加入处于搅拌状态的步骤一的溶液中，并持续搅拌，得到混合溶液；

步骤三：取35.1ul蒸馏水加入处于搅拌状态的步骤二的混合溶液中，持续搅拌6h，得到前驱体分散液；

步骤四：将步骤三得到的前驱体分散液在50℃的真空干燥箱中干燥12h，得到目标产物的前驱体；

步骤五：将步骤四得到的前驱体在高纯氮气保护下，以3℃/min的速率升温至1000℃并恒温10h，待冷却至室温后，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

本实施例1的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的xrd图如图2所示，在约25°处的宽峰为典型的石墨化碳材料的特征峰。此外，可以发现sn的特征峰存在(图2中虚线标识的特征峰)，其与sn的标准卡片(jcpdsno.86-2264)峰一致。

将得到的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料(锡为26wt％，氮占整个碳材料为2.7at％)进行电极制备，并组装成纽扣电池进行储锂性能研究。其中，活性物质:导电炭黑:pvdf的质量比为8:1:1，隔膜为celgard2300，电解液为1mlipf6(ec:dec:emc＝1:1:1，体积比)，金属锂片作为对电极和参比电极，电压窗口为0.01v～3.00v。在100ma/g的电流下进行充放电测试，其首次放电容量为917mah/g，首次库伦效率为80％，经过50次循环后放电容量为650mah/g。

实施例2

本实施例2纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料(本实施例2的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中，锡元素的质量分数为5wt％，氮与碳的原子比为5.8:94.2)的制备：

步骤一：取1100mgpvp加入15ml无水乙醇中，以1500r/min的搅拌速度持续搅拌，溶解得到溶液；

步骤二：将43.8mgsncl2·2h2o快速加入处于搅拌状态的步骤一的溶液中，并持续搅拌，得到混合溶液；

步骤三：取69.8ul蒸馏水加入处于搅拌状态的步骤二的混合溶液中，搅拌0.5h，得到前驱体分散液；

步骤四：将步骤三得到的前驱体分散液在80℃的真空干燥箱中干燥24h，得到目标产物的前驱体；

步骤五：将步骤四得到的前驱体在高纯氩气保护下，以1℃/min的速率升温至900℃并恒温2h，待冷却至室温后，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

按照实施实例1中的方法将本实施例2的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料组装成纽扣电池进行储锂性能研究。评估其储锂性能发现：首次放电容量为557mah/g，首次库伦效率为78％，经过50次循环后放电容量为397mah/g。

实施例3

本实施例3纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料(本实施例3的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中，锡元素的质量分数为37wt％，氮与碳的原子比为6.4:93.6)的制备：

步骤一：取900mgpvp加入30ml无水乙醇中，以2000r/min的搅拌速度持续搅拌，溶解得到溶液；

步骤二：将379mgsncl2·2h2o快速加入处于搅拌状态的步骤一的溶液中，并持续搅拌，得到混合溶液；

步骤三：取241.92ul蒸馏水加入处于搅拌状态的步骤二的混合溶液中，搅拌5h，得到前驱体分散液；

步骤四：将步骤三得到的前驱体分散液在60℃的真空干燥箱中干燥18h，得到目标产物的前驱体；

步骤五：将步骤四得到的前驱体在高纯氩气保护下，以5℃/min的速率升温至700℃并恒温4h，待冷却至室温后，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

本实施例3的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料的tem图如图3所示，纳米锡颗粒均匀地分散在氮掺杂碳材料基体中。

按照实施实例1中的方法将本实施例3的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料组装成纽扣电池进行储锂性能研究，评估其储锂性能。如图4所示为本实施例3的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料制成的纽扣电池的循环曲线图，该材料首次放电容量为1050mah/g，首次库伦效率为79％，经过50次循环后放电容量为702mah/g，循环容量保持率好。如图5所示为本实施例3的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料制成的纽扣电池的倍率性能图，图中从左到右五个阶段分别为在0.1a/g、0.2a/g、0.5a/g、1.0a/g、2.0a/g电流下的倍率性能，可见本实施例的材料也具有较好的倍率性能。

实施例4

本实施例4纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料(本实施例4的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中，锡元素的质量分数为50wt％，氮与碳的原子比为4.3:95.7)的制备：

步骤一：取4200mgpvp加入35ml无水乙醇中，以3000r/min的搅拌速度持续搅拌，得到溶液；

步骤二：将2900mgsncl2·2h2o快速加入处于搅拌状态的步骤一的溶液中，并持续搅拌，得到混合溶液；

步骤三：取4626ul蒸馏水加入处于搅拌状态的步骤二得到的混合溶液中，搅拌8h，得到前驱体分散液；

步骤四：将步骤三得到的前驱体分散液在70℃的真空干燥箱中干燥15h，得到目标产物的前驱体；

步骤五：将步骤四得到的前驱体在高纯氩气保护下，以8℃/min的速率升温至800℃并恒温8h，待冷却至室温后，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

按照实施实例1中的方法将本实施例4的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料组装成纽扣电池进行储锂性能研究。评估其储锂性能发现：该材料首次放电容量为1150mah/g，首次库伦效率为77％，经过50次循环后放电容量为618mah/g。

实施例5

本实施例5纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料(本实施例5的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中，锡元素的质量分数为17wt％，氮与碳的原子比为7.2:92.8)的制备：

步骤一：取1500mgpvp加入20ml无水乙醇中，以800r/min的搅拌速度持续搅拌，得到溶液；

步骤二：将227.9mgsncl2·2h2o快速加入处于搅拌状态的步骤一的溶液中，并持续搅拌，得到混合溶液；

步骤三：取272.7ul蒸馏水加入处于搅拌状态的步骤二的混合溶液中，搅拌4h，得到前驱体分散液；

步骤四：将步骤三得到的前驱体分散液在40℃的真空干燥箱中干燥24h，得到目标产物的前驱体；

步骤五：将步骤四得到的前驱体在高纯氩气保护下，以2℃/min的速率升温至600℃并恒温3h，待冷却至室温后，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

按照实施实例1中的方法将本实施例5的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料组装成纽扣电池进行储锂性能研究。评估其储锂性能发现：该材料首次放电容量为890mah/g，首次库伦效率为75％，经过50次循环后放电容量为589mah/g。

实施例6

本实施例6纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料(本实施例6的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料中，锡元素的质量分数为10wt％，氮与碳的原子比为3.6:96.4)的制备：

步骤一：取200mgpvp加入17ml无水乙醇中，以50r/min的搅拌速度持续搅拌，得到溶液；

步骤二：将16.7mgsncl2·2h2o快速加入处于搅拌状态的步骤一的溶液中，并持续搅拌，得到混合溶液；

步骤三：取20ul蒸馏水加入处于搅拌状态的步骤二的混合溶液中，搅拌6h，得到前驱体分散液；

步骤四：将步骤三得到的前驱体分散液在40℃的真空干燥箱中干燥14h，得到目标产物的前驱体；

步骤五：将步骤四得到的前驱体在高纯氩气保护下，以6℃/min的速率升温至900℃并恒温7h，待冷却至室温后，得到纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。

按照实施实例1中的方法将本实施例6的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料组装成纽扣电池进行储锂性能研究。评估其储锂性能发现：该材料首次放电容量为605mah/g，首次库伦效率为79％，经过50次循环后放电容量为430mah/g。

对比例1

以锡粉(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)作为对比例。按照实施实例1中的方法将本对比例1的锡粉组装成纽扣电池进行储锂性能研究。评估其储锂性能发现：首次放电容量为1279mah/g，首次库伦效率为47.8％。

如图6所示为对比例1的锡粉组装成的纽扣电池的循环曲线，可以发现随着循环的进行，其容量快速衰退，在30次循环后仅有89mah/g。

通过实施例1～6与对比例1的对比可看出本发明实施例的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料具有优越的电化学性能，比容量高、倍率性能好、循环性能好。

本发明实施例的制备方法工艺简单，成本较低，适合大批量生产。本发明实施例所选碳材料的前驱体为pvp，便宜无毒，它既是碳源又是氮源；利用二水合氯化亚锡在pvp溶液中的原位水解生长来控制纳米颗粒的生长；经过随后的热处理，得到了纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料。本发明实施例的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料，纳米锡均匀地分散在氮掺杂碳材料中，氮掺杂碳材料不仅提高了导电性而且缓解了锡在锂化/去锂化过程中的体积膨胀、团聚效应。本发明实施例的纳米锡修饰的氮掺杂碳负极材料具有较高的首次库伦效率、比容量、倍率性能和容量保持率，具有重要的应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。