一种锡铋-碳复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及电池材料，尤其涉及一种锡铋-碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着便携式电子设备和智能电网的快速发展，人们对功率密度及能量密度的需求日益增长，因而急需一种高容量、小尺寸、重量轻的二次电池。然而，传统的二次电池，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等，因尺寸及重量等因素使其在发展中受到了严重的限制。因此，具有高比能、轻重量、长寿命等优异特性的锂离子电池成为了研究热点。另外，当前社会对大规模、环保、安全的电化学储能设备的需求也与日俱增，但相对匮乏的锂资源限制了锂离子电池的进一步大规模应用。钠离子电池和钾离子电池由于成本低和资源丰富，近年来受到了学术界和商界的广泛关注。但是，受限于目前负极材料较差的电化学性能，其商业化推广进展缓慢。因此，开发高性能负极材料势在必行。

2、合金型负极材料因其合适的氧化还原反应电位和更高的能量密度成为一种极具前景的候选材料。其中，金属铋(bi)作为一种典型的合金型负极材料，由于其较高的理论容量、较大层间距和相对较高的电导率等优点成为一种具有代表性的负极材料，显示出巨大的应用潜力，受到了广泛关注。然而，其巨大的体积膨胀(409％)会导致合金化/脱合金过程中电极材料结构的崩塌和重度粉碎，进而带来容量衰减快、循环寿命短和倍率性能差的问题。

3、为了解决铋基负极材料以上问题，目前常用的方法是将铋和碳基材料进行复合，以此来提高其导电性，并缓冲充放电过程中的体积膨胀，提高电池的倍率性能和循环稳定性。因此，研究新型铋基电池材料来适应大规模商业化应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种锡铋-碳复合材料及其制备方法和应用，所制备的锡铋-碳复合材料具有优异的倍率性能和循环稳定性。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种锡铋-碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将含氮碳源和二甲基亚砜在加热条件下混合，进行凝胶化，向所得溶胶中加入铋盐和锡盐，得到凝胶前驱体；

5、将所述凝胶前驱体、表面活性剂、乙炔黑与水混合后，将所得液体物料喷雾干燥后，在氮气或氩气气氛中进行碳化处理，得到锡铋-碳复合材料。

6、优选的，所述含氮碳源包括聚丙烯腈、聚苯胺、聚酰亚胺、三聚氰胺酚醛树脂、双氰胺酚醛树脂和聚氨酯中的一种或几种；所述加热的温度为90～100℃。

7、优选的，所述铋盐包括硫酸铋、五水硝酸铋、氯化铋和醋酸铋中的一种或几种；所述锡盐包括五水氯化锡；所述铋盐和锡盐的质量比为1:1～2。

8、优选的，所述铋盐和含氮碳源的质量比为1:1～3。

9、优选的，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种；所述铋盐与表面活性剂的质量比为0.2～0.5:0.2～0.5。

10、优选的，所述乙炔黑的质量为所述铋盐、锡盐和含氮碳源总质量的5～10％。

11、优选的，所述喷雾干燥的温度为150～200℃，通过喷雾系统的喷雾量为5～30ml/min，雾化压力为5～40mpa。

12、优选的，所述碳化处理的温度为800～1200℃，时间为2～5h。

13、本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的锡铋-碳复合材料。

14、本发明提供了上述技术方案所述锡铋-碳复合材料在锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池中的应用。

15、与现有技术相比，本发明有益效果如下：

16、本发明先采用溶胶凝胶法将含氮碳源与bi和sn复合，将铋元素和锡元素均匀分散在碳基体中，然后通过喷雾干燥过程分散粉体，形成前驱体纳米颗粒，防止铋和锡金属的团聚，再通过碳化过程将铋离子还原为铋单质，同时锡离子还原为锡单质，同时实现锡与铋的结合，从而发挥出铋和锡的最大储能特性。此外，通过喷雾干燥能够实现粉体分散均匀性，使得金属元素铋和锡均匀包覆于碳基体，从而在充放电过程中对金属的体积膨胀起到良好的缓冲作用，提高其电导率，铋锡碳间的协同作用，使得该材料具有优异的电化学性能。

17、本发明的方法操作简单，反应时间短，不需要繁琐且较长时间的水热反应，产量高，过程易控制，能耗低，可重复性好，适合大规模商业化生产。所制备的复合材料用作锂、钠、钾离子电池的负极材料时，能表现出良好的电化学性能，比如长循环寿命、高可逆容量和快充放电速率等，在二次电池负极材料领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种锡铋-碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含氮碳源包括聚丙烯腈、聚苯胺、聚酰亚胺、三聚氰胺酚醛树脂、双氰胺酚醛树脂和聚氨酯中的一种或几种；所述加热的温度为90～100℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铋盐包括硫酸铋、五水硝酸铋、氯化铋和醋酸铋中的一种或几种；所述锡盐包括五水氯化锡；所述铋盐和锡盐的质量比为1:1～2。

4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述铋盐和含氮碳源的质量比为1:1～3。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种；所述铋盐与表面活性剂的质量比为0.2～0.5:0.2～0.5。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乙炔黑的质量为所述铋盐、锡盐和含氮碳源总质量的5～10％。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷雾干燥的温度为150～200℃，通过喷雾系统的喷雾量为5～30ml/min，雾化压力为5～40mpa。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的温度为800～1200℃，时间为2～5h。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的锡铋-碳复合材料。

10.权利要求9所述锡铋-碳复合材料在锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池中的应用。

技术总结
本发明提供了一种锡铋‑碳复合材料及其制备方法和应用，属于电池材料技术领域。本发明将含氮碳源和二甲基亚砜在加热条件下混合，进行凝胶化，向所得溶胶中加入铋盐和锡盐，得到凝胶前驱体；将所述凝胶前驱体、表面活性剂、乙炔黑与水混合后，将所得液体物料在氮气或氩气气氛中进行喷雾干燥，得到锡铋‑碳复合材料。本发明先采用溶胶凝胶法将含氮碳源与铋和锡复合，将铋元素和锡元素均匀分散在碳基体中，然后通过喷雾干燥分散粉体，形成前驱体纳米颗粒，防止铋和锡金属的团聚，再通过碳化过程将铋离子还原为铋单质，同时锡离子还原为锡单质，同时实现锡与铋的结合，从而发挥出铋和锡的最大储能特性，使得该材料具有优异的电化学性能。

技术研发人员：李成杰,董希青,郝小义,张英超,宋艳芳,张君楠,吴振
受保护的技术使用者：潍坊科技学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17