CN101700870A - 封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法，包括如下步骤：a)将辛酸锡、PAN、PMMA按质量百分含量50％、30％、25％取样混合，并溶于DMF成乳液；b)采用常规单喷头静电纺丝工艺进行静电纺丝；c)将所得纤维，在空气中加热到250℃保持30min；d)在Ar/H2中，1500℃碳化炉内碳化30min。将锡纳米粒子封装在所述碳微米管中，即可作为锂电池阳极材料应用。其优点在于，有效提高了锡-碳电极的电化学效率，具有更好的循环使用效率，即使经过100～200次循环以后，其充放电效率仍能达到最初效率的70％～87％；电池容量远高于其他锡-碳纳米复合材料的电容量。

Description

封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及可生物降解及吸收的天然高分子材料领域，特别是一种封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法及其应用。
背景技术
可充电的锂离子电池由于其高的能量密度和超长的循环使用寿命，可作为可移动电池及混合动力电池已经引起人们的广泛关注。锡金属因为其理论电容量很高，大约为992mAh/g(形成Li4.4Sn)，所以被认为是最具潜力的锂电池阳极材料。但是，因为锡锂电池在使用过程中回收性能很差，即在锂合金的形成和解离过程中，粉碎粒子和与当前充电电路断开时，锂锡合金往往发生很大体积变化，所以金属锡作为锂电池的阳极一直受阻。通过修改电极结构、减小粒子尺寸、采用更薄的膜以及选择最优化的封装手段均可以提高锂锡电池的性能。近来，大家又把目光集中到了通过改变锡金属形态减少电池体积变化的研究上，主要方法有制备碳锡纳米粒子的复合材料及碳纳米球中空结构封装锡材料。已有的研究表明，纳米尺度的锡-碳复合材料的形成及纳米尺度当前收集设计有助于提高锡电极的低可回收性能。然而，这些改变并不是最佳选择，因为其仅有很少的可用的功能性活性种类，电池效能并不能100％重复保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术现状，而提供一种封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法，并将碳微米管内封装锡纳米粒子材料作为锂电池阳极材料，具有高可回收的性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：a)将辛酸锡、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)按质量百分含量：30～50％、10％～30％、15％～25％取样混合，并溶于二甲基甲酰胺(DMF)，温搅拌1h配成乳液；其中，PMMA重均分子量为3万～15万；PAN重均分子量为5万～20万；b)采用常规单喷头静电纺丝工艺，即在电压为20kV、溶液流量为50μL/min、接收距离为15cm的条件下进行静电纺丝；c)将收集到的纤维，在空气中加热到250℃保持30min；d)在Ar/H2的共同氛围下，1500℃碳化炉内碳化30min，即得到多孔多通道的碳微米管，其直径约为2微米；
所述步骤a)中，辛酸锡、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的质量百分含量比为50％∶30％∶25％。
将锡纳米粒子封装在所述碳微米管中，即可作为锂电池阳极材料应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于，它有效的提高了锡-碳电极的电化学效率，实现对金属锡粒子的高效封装密度和体积变化时，提供一定缓冲空间的折中处理。此外，多孔的碳壳结构也保证了结构排列上的稳定性，避免了锡的氧化，充当了电子给体的角色，并保证锂离子可以通过。封装在碳管内的锡纳米粒子具有更好的循环使用效率，即使经过100～200次循环以后，其充放电效率仍能达到最初效率的70％～87％；而市售的Sn纳米粒子仅充放电20次以后就开始快速降解。此外，电池容量在充放电50次以后，放电速率为2C时可以达到570mAh/g，是理论电容量的38.1％，也远远高于其他锡-碳纳米复合材料的电容量。
具体实施方式
下面根据实施例对本发明作进一步详细说明。
一种封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法，包括如下步骤：a)将辛酸锡、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)按质量百分含量比：50％、30％、25％取样混合，并溶于二甲基甲酰胺(DMF)，室温搅拌1h配成乳液；其中，PMMA重均分子量为3万～15万；PAN重均分子量为5万～20万；b)采用常规单喷头静电纺丝工艺，即在电压为20kV、溶液流量为50μL/min、接收距离为15cm的条件下进行静电纺丝；c)将收集到的纤维，在空气中加热到250℃保持30min；d)在Ar/H2的共同氛围下，1500℃碳化炉内碳化30min，即得到多孔多通道的碳微米管，其直径约为2微米。
将锡纳米粒子封装在所述碳微米管中，即可作为锂电池阳极材料应用。
实施例
称取1g辛酸锡、600mg PMMA(Mw＝5万)及600mg PAN(Mw＝10万)溶于20mL的DMF，室温搅拌1h配成乳液；采用常规单喷头静电纺丝技术，即在电压为20kV、溶液流量为50μL/min、接收距离为15cm的条件下进行静电纺丝。此后将收集到的纤维在空气中加热到250℃保持30min；使其内核充分降解氧化。之后，在Ar/H2的共同氛围下，碳化炉内1500℃碳化30min，纤维就被处理成为具有多孔多通道的碳微米管，直径约为2微米；锡纳米粒子被封装在碳管内，直径约为200纳米。
表面电子能谱分析，其中碳元素含量为30wt％，锡元素含量为70wt％。通过电化学元件检测发现，同现有的相同大小的市售Sn纳米粒子(直径200nm)比较，封装在碳管内的锡纳米粒子具有更好的循环使用效率。即使经过140次循环以后，其充放电效率仍能达到最初效率的83％；而市售的Sn纳米粒子仅充放电20次以后就开始快速降解。此外，电池容量在充放电50次以后，放电速率为2C时可以达到570mAh/g，是理论电容量的38.1％，市售电池容量在充放电10次以后仅为76.3mAh/g。

Claims (3)

1.一种封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
a)将辛酸锡、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)按质量百分含量：30～50％、10％～30％、15％～25％取样混合，并溶于二甲基甲酰胺(DMF)，室温搅拌1h配成乳液；其中，PMMA重均分子量为3万～15万；PAN重均分子量为5万～20万；
b)采用常规单喷头静电纺丝工艺，即在电压为20kV、溶液流量为50μL/min、接收距离为15cm的条件下进行静电纺丝；
c)将收集到的纤维，在空气中加热到250℃保持30min；
d)在Ar/H2的共同氛围下，1500℃碳化炉内碳化30min，即得到多孔多通道的碳微米管，其直径约为2微米。
2.根据权利要求1所述的封装锡纳米粒子材料的碳微米管的制备方法，其特征在于：所述步骤a)中，辛酸锡、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的质量百分含量比为50％∶30％∶25％。
3.根据权利要求1所述的方法制备的封装锡纳米粒子材料的碳微米管的应用，其特征在于：将锡纳米粒子封装在所述碳微米管中，即可作为锂电池阳极材料应用。
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