CN109449379A - 一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，该锂离子电池负极材料的制备方法如下：1)铁源和锡源在表面活性剂吐温‑20的作用下共沉淀生成SnFe2O4纳米颗粒；2)SnFe2O4纳米颗粒和盐酸多巴胺在Tris‑HCl缓冲液中反应，制备前驱体；3)前驱体在惰性气氛下的煅烧。本发明的锂离子电池负极材料是一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4纳米颗粒，具有结构稳定、充放电效率高、循环性能优异、电化学可逆性良好等优点，其制备工艺简单、成本低、环境友好，适合锂离子电池实际应用，能够实现工业化大规模生产。

Description

一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料及其制备方 法与应用
技术领域
本发明涉及一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
目前，商业化的石墨负极材料的理论容量(372mAh·g-1)较低、锂离子扩散速率较小，已经无法满足锂离子电池高能量密度、高倍率充放电能力的发展趋势。因此，寻找可替代石墨的新型负极材料成为近年来锂离子电池研究领域的一大热点。
在众多负极材料中，Sn基负极材料具有较高的理论比容量，如SnO2(1494mAh·g-1)、SnO(1138mAh·g-1)、Sn(991mAh·g-1)，且生产成本较低，被认为最具应用前景。然而，锡基负极材料存在两大缺陷：1)SnOx和Li+的转换反应不可逆，导致首圈充放电容量损失严重，库伦效率仅50％左右；2)金属Sn与Li+的合金/去合金化反应会使金属Sn产生巨大的体积膨胀(可达300％)，导致Sn基材料发生变形、开裂和脱落等，电接触性能变差，最终造成材料的比容量迅速下降。
为了解决上述问题，近年来国内外研究者通过将材料纳米化或特殊结构化以减少嵌锂/脱锂过程的绝对体积膨胀，或者通过掺杂或包覆其他物质从而利用协同效应有效缓解充放电过程中产生的体积膨胀。例如：制备具有尖晶石结构的二元金属氧化物过渡金属酸盐AFe2O4(A为Zn、Co、Ni、Cu或Mn)，通过提高Li+在尖晶石结构中的脱嵌和保持充放电过程的结构稳定来改善单一金属氧化物的体积过度膨胀和稳定性问题。
铁酸锡(SnFe2O4)是一种反尖晶石结构的材料，反尖晶石结构中具有三维扩散通道，有利于Li+的迁移扩散，也有利于高倍率充放电，其充放电平台(约1.05V)低于其他的过渡金属氧化物，其理论比容量(约1130mAh·g-1)高于单纯的金属氧化物和无活性的铁酸盐(如CuFe2O4)。然而，铁酸锡在锂离子电池充放电过程中导电性低、体积膨胀率过大，会造成材料结构破坏，进而导致比容量、循环稳定性等性能急速下降。因此，通过改善材料结构或掺杂导电性好的碳材料，制备一种廉价、环境友好的SnFe2O4和碳复合的锂离子电负极材料，提高锂电池首次放电的比容量、库伦效率、倍率性能和循环稳定性，对锂离子电池领域具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料及其制备方法与应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将铁源和锡源同时加入到吐温-20水溶液中，充分搅拌混匀，再加入碱溶液，充分反应，分离和收集沉淀物，得到SnFe2O4纳米颗粒；
2)将SnFe2O4纳米颗粒和盐酸多巴胺加入Tris-HCl缓冲液中，充分反应，再离心收集固体产物，得到前驱体；
3)将前驱体置于惰性气氛下，进行煅烧，得到氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料。
步骤1)中Fe、Sn的摩尔比为1:0.5。
步骤1)所述铁源为四水合氯化亚铁、三氯化铁、九水合硝酸铁、草酸亚铁、硫酸亚铁、硫酸铁中的至少一种。
步骤1)所述锡源为二水合氯化亚锡、硫酸亚锡中的至少一种。
步骤1)所述吐温-20水溶液由吐温-20和水按照体积比1：(10～50)混合而成。
步骤1)所述碱溶液为NaOH溶液、氨水中的一种。
步骤1)所述反应在20～80℃下进行，反应时间为2～4h。
步骤2)所述SnFe2O4纳米颗粒、盐酸多巴胺的质量比为1：(0.1～0.5)。
步骤2)所述反应在20～80℃下进行，反应时间为2～4h。
步骤3)所述煅烧具体为：以1～5℃/min的速率升温至600～800℃并保持1～2h。
本发明的有益效果是：本发明的锂离子电池负极材料是一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4纳米颗粒(SnFe2O4@NC)，具有结构稳定、充放电效率高、循环性能优异、电化学可逆性良好等优点，其制备工艺简单、成本低、环境友好，适合锂离子电池实际应用，能够实现工业化大规模生产。
1)本发明中的SnFe2O4的储锂机理涉及Li+在反尖晶石三维通道的脱嵌、Li+与SnO和Fe2O3的转换反应、Li+与金属Sn的合金化反应三种，其充放电平台低他于其过渡金属氧化物，理论比容量为1130mAh·g-1，高于SnO、Fe2O3等单金属氧化物；
2)本发明中的氮掺杂碳层具有良好的导电性，可以提高SnFe2O4@NC的电导率，从而在充放电过程表现出较好的倍率性能；
3)本发明中的氮掺杂碳层可以作为缓冲层，可以有效缓解充放电过程中材料的体积变化，保证了材料的结构稳定，从而提高了材料的循环性能和倍率性能；
4)本发明中SnFe2O4纳米颗粒的合成方法及其与盐酸多巴胺的聚合方法非常简单，生产成本低廉、能耗较低、环境友好，适合锂离子电池实际应用，能够实现工业化大规模生产。
附图说明
图1为实施例1的SnFe2O4和实施例1～3的SnFe2O4@NC的X-射线粉末衍射图(XRD)。
图2为实施例1的SnFe2O4@NC的扫描电镜图(SEM)。
图3为实施例1的SnFe2O4@NC组装的半电池循环前3圈的CV曲线图。
图4为实施例1的SnFe2O4组装的半电池在电流密度0.2A·g-1下的循环性能图。
图5为实施例1的SnFe2O4@NC组装的半电池在电流密度0.2A·g-1下的循环性能图。
图6为实施例1的SnFe2O4@NC组装的半电池的倍率性能图。
具体实施方式
一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将铁源和锡源同时加入到吐温-20水溶液中，充分搅拌混匀，再加入碱溶液，充分反应，分离和收集沉淀物，得到SnFe2O4纳米颗粒；
2)将SnFe2O4纳米颗粒和盐酸多巴胺加入Tris-HCl缓冲液中，充分反应，再离心收集固体产物，得到前驱体；
3)将前驱体置于惰性气氛下，进行煅烧，得到氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料(SnFe2O4@NC)。
优选的，步骤1)中Fe、Sn的摩尔比为1:0.5。
优选的，步骤1)所述铁源在吐温-20水溶液中的浓度为0.02～0.5mol/L。
优选的，步骤1)所述锡源在吐温-20水溶液中的浓度为0.01～0.1mol/L。
优选的，步骤1)所述铁源为四水合氯化亚铁、三氯化铁、九水合硝酸铁、草酸亚铁、硫酸亚铁、硫酸铁中的至少一种。
进一步优选的，步骤1)所述铁源为四水合氯化亚铁、九水合硝酸铁中的至少一种。
优选的，步骤1)所述锡源为二水合氯化亚锡、硫酸亚锡中的至少一种。
优选的，步骤1)所述吐温-20水溶液由吐温-20和水按照体积比1：(10～50)混合而成。
优选的，步骤1)所述碱溶液为NaOH溶液、氨水中的一种，用于将反应液的pH值调节至大于10。
优选的，步骤1)所述反应在20～80℃下进行，反应时间为2～4h。
优选的，步骤2)所述SnFe2O4纳米颗粒、盐酸多巴胺的质量比为1：(0.1～0.5)。
优选的，步骤2)所述反应在20～80℃下进行，反应时间为2～4h。
优选的，步骤3)所述惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛。
优选的，步骤3)所述煅烧具体为：以1～5℃/min的速率升温至600～800℃并保持1～2h。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料(SnFe2O4@NC)的制备方法，包括以下步骤：
1)将12mmol的FeCl2·4H2O和6mmol的SnCl2·2H2O同时加入到150mL的吐温-20水溶液(由吐温-20和蒸馏水按照体积比1:10配制而成)中，充分搅拌混匀，再加入浓度为4mol/L的NaOH溶液至反应液的pH值>10，80℃下搅拌3h，分离和收集沉淀物，用蒸馏水洗涤沉淀物多次，60℃下干燥10h，得到SnFe2O4纳米颗粒(XRD图如图1所示)；
2)将质量比为1:0.3的SnFe2O4纳米颗粒和盐酸多巴胺加入到浓度为10mmol/L的Tris-HCl缓冲液(pH＝8.5)中，80℃下搅拌4h，再离心收集固体产物，用蒸馏水洗涤固体产物多次，60℃下干燥10h，得到前驱体；
3)将前驱体置于氮气气氛下，以5℃/min的速率升到700℃并保持1h，得到氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料(XRD图如图1所示；SEM图如图2所示)。
分别以SnFe2O4纳米颗粒和SnFe2O4@NC为负极活性材料，与金属锂组装成锂离子纽扣半电池，进行电化学性能测试。
锂离子纽扣半电池的装配：将负极活性材料、Super P Li导电炭黑和聚偏二氟乙烯按质量比8:1:1混合，用N-甲基吡咯烷酮调匀，搅拌成粘稠状，将其涂在铜箔上，真空120℃干燥10h，切成直径约12mm的极片作为工作电极，Li片为对电极。隔膜为Celgard聚乙烯微孔膜，电解液为浓度1mol/L的LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)混合电解液(混合电解液中EC、DMC、EMC的体积比为1:1:1)。
在充氩气的手套箱中采用CR2032型扣式电池组装半电池。
电化学性能测试：用Neware CT-3008型电池测试***(深圳新威尔电子有限公司)进行测试。
实施例1的SnFe2O4@NC组装的半电池循环前3圈的CV曲线图如图3所示(测试条件：0.01～3.0V，扫速0.1mV/s)。
实施例1的SnFe2O4组装的半电池在电流密度0.2A·g-1下的循环性能图如图4所示。
实施例1的SnFe2O4@NC组装的半电池在电流密度0.2A·g-1下的循环性能图如图5所示。
实施例1的SnFe2O4@NC组装的半电池的倍率性能图如图6所示。
实施例2：
一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料(SnFe2O4@NC)的制备方法，包括以下步骤：
1)将15mmol的Fe(NO3)3·9H2O和7.5mmol的SnCl2·2H2O同时加入到150mL的吐温-20水溶液(由吐温-20和蒸馏水按照体积比1:25配制而成)中，充分搅拌混匀，再加入浓度为4mol/L的NaOH溶液至反应液的pH值>10，25℃下搅拌4h，分离和收集沉淀物，用蒸馏水洗涤沉淀物多次，80℃下干燥6h，得到SnFe2O4纳米颗粒；
2)将质量比为1:0.1的SnFe2O4纳米颗粒和盐酸多巴胺加入到浓度为10mmol/L的Tris-HCl缓冲液(pH＝8.5)中，25℃下搅拌6h，再离心收集固体产物，用蒸馏水洗涤固体产物多次，80℃下干燥10h，得到前驱体；
3)将前驱体置于氩气气氛下，以2℃/min的速率升到600℃并保持2h，得到氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料(XRD图如图1所示；产品形貌和实施例1一致)。
实施例3：
一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料(SnFe2O4@NC)的制备方法，包括以下步骤：
1)将15mmol的Fe(NO3)3·9H2O和7.5mmol的SnCl2·2H2O同时加入到150mL的吐温-20水溶液(由吐温-20和蒸馏水按照体积比1:10配制而成)中，充分搅拌混匀，再加入质量分数25％的氨水至反应液的pH值>10，80℃下搅拌2h，分离和收集沉淀物，用蒸馏水洗涤沉淀物多次，60℃下干燥10h，得到SnFe2O4纳米颗粒；
2)将质量比为1:0.5的SnFe2O4纳米颗粒和盐酸多巴胺加入到浓度为10mmol/L的Tris-HCl缓冲液(pH＝8.5)中，50℃下搅拌4h，再离心收集固体产物，用蒸馏水洗涤固体产物多次，60℃下干燥10h，得到前驱体；
3)将前驱体置于氮气气氛下，以5℃/min的速率升到700℃并保持1h，得到氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料(XRD图如图1所示；产品形貌和实施例1一致)。
测试结果分析：
由图1可知：实施例1的SnFe2O4和实施例1～3的SnFe2O4@NC的晶体衍射峰均与标准JCPDS#11-0614SnFe2O4的晶体衍射峰一一对应。
由图2可知：实施例1制备的SnFe2O4@NC呈颗粒状，颗粒粒径为50～100nm。
由图3可知：图中第一圈出现明显的氧化还原峰，其中放电分支分别对应Li+嵌入反尖晶石结构(1.3～1.5V弱峰)、Li+与Sn2+和Fe3+的氧化还原反应，伴随SEI膜的生成(0.5V)、Sn与Li+的合金化反应(0.05V)；充电分支分别对应LixSn去合金化反应(0.15V)、Sn和Fe与Li2O的氧化还原反应(1.65V)。之后二三圈除了Li+与Sn2+和Fe3+的氧化还原反应右移至0.77V处以外，其他峰位与第一圈基本重合，表明反应的可逆性良好。
由图4可知：实施例1的SnFe2O4具有良好的循环性能和自增长性能。
由图5可知：实施例1的SnFe2O4@NC具有良好的循环稳定性能。
由图6可知：实施例1的SnFe2O4@NC具有良好的倍率性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将铁源和锡源同时加入到吐温-20水溶液中，充分搅拌混匀，再加入碱溶液，充分反应，分离和收集沉淀物，得到SnFe2O4纳米颗粒；
2)将SnFe2O4纳米颗粒和盐酸多巴胺加入Tris-HCl缓冲液中，充分反应，再离心收集固体产物，得到前驱体；
3)将前驱体置于惰性气氛下，进行煅烧，得到氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中Fe、Sn的摩尔比为1:0.5。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述铁源为四水合氯化亚铁、三氯化铁、九水合硝酸铁、草酸亚铁、硫酸亚铁、硫酸铁中的至少一种；步骤1)所述锡源为二水合氯化亚锡、硫酸亚锡中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述吐温-20水溶液由吐温-20和水按照体积比1：(10～50)混合而成；步骤1)所述碱溶液为NaOH溶液、氨水中的一种。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述反应在20～80℃下进行，反应时间为2～4h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述SnFe2O4纳米颗粒、盐酸多巴胺的质量比为1：(0.1～0.5)。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述反应在20～80℃下进行，反应时间为2～4h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述煅烧具体为：以1～5℃/min的速率升温至600～800℃并保持1～2h。
9.一种氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料，其特征在于：通过权利要求1～8中任意一项所述的方法制备得到。
10.权利要求9所述的氮掺杂碳复合的SnFe2O4锂离子电池负极材料在制备锂离子电池中的应用。
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