一種納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負極材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種鋰離子電池負極材料，具體涉及一種納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負極材料的制備方法，該方法制得的納米粒子均勻嵌入碳納米片，及其作為鋰離子電池負極材料的應用。
【背景技術】
[0002]隨著經濟的快速發展，能源問題成為制約社會發展的重要因素之一。鋰離子電池作為一種新型的二次能源，因具有能量密度大、自放電小、工作電壓高、循環壽命長、無記憶效應和無環境污染等優良特性，近年來得到快速發展，已經廣泛應用于手機、數碼相機、筆記本電腦等各類便攜電子設備中，被認為是目前最有效的能源儲存方式之一。但是隨著社會的發展，人們對鋰離子電池的性能提出更高的要求，尤其是需求更高的能量密度和功率
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[0003]但是，商業化鋰離子電池的負極材料目前主要是石墨，雖然石墨具有廉價、環境友好、高的結構穩定性和電導率高等優點，但其理論比容量低，這使其無法應用到要求高能量密度的電動汽車等領域內。因此，尋找比容量大、循環和倍率性能好的的負極材料成為目前負極材料研究領域的熱點問題之一。
[0004]金屬負極理論比容量高，一般為石墨理論比容量的幾倍甚至更多，是潛在的替代石墨負極材料的主要負極材料。目前可作為鋰離子電池的負極材料主要有金屬錫、鍺、銻和非金屬硅等。雖然這些材料的比容量大，但是這些材料在脫嵌鋰過程中存在嚴重的體積膨脹效應，并且電導率也不高，從而導致循環穩定性極差，限制了其在實際生產中的應用。因此，對金屬負極材料進行改性，使其能夠達到實際應用的標準顯得尤為重要。
[0005]金屬負極的改性方法主要有:納米化，表面包覆以及形成復合材料等。納米化主要包括將各種金屬負極材料設計成各種納米結構;表面包覆主要是炭包覆，還包括其它各種材料對金屬負極的包覆;形成復合材料的種類比較多，與其復合的材料可以是活性物質也可以是非活性物質，但是其起到的作用大體相同，主要是限制其體積膨脹或增加導電性。最近研究表明，將納米粒子嵌入到碳納米片中，然后將其作為鋰離子電池負極材料可以大幅度提高金屬負極材料的電化學性能。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是商業化石墨負極容量太低，本發明的目的是提供一種納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負極材料及其制備方法，該材料儲鋰容量高，循環性能好，制備方法簡單，成本低，易于大規模制備。本發明提出的納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負極材料，不是納米粒子與碳納米片的簡單復合，而是納米粒子均勻的嵌入到碳納米片中，納米粒子與碳納米片結合緊密，不易剝落，并且有很好的電子導電性和離子導通性，通過克服了納米粒子循環性能差的技術問題，提高了石墨負極容量。
[0007]本發明采用如下技術方案，其特點在于:
一種納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負極材料的制備方法，其特征在于，以易溶于水的有機物為碳源，商業化微米級金屬粒子或微米級非金屬粒子為粒子源，氯化鈉為模板，將碳源，粒子源和氯化鈉混合，高能球磨，烘干后，形成的固體混合物在混合氣氛下，于管式爐中在600?750°C的溫度范圍內熱解處理，冷卻、洗滌和干燥后，得到所述的鋰離子電池負極材料。
[0008]所述的粒子、碳源和氯化鈉的優選質量比為(0.6?1.0): (3?5):(30?50)。
[0009]所述的方法具體包括以下步驟:
1)前驅體制備:稱取(0.6?1.0)g商業化微米級金屬粒子或微米級非金屬粒子、(3?5)g碳源和(30?50)g氯化鈉，放入球磨罐中，加入(5?20)mL蒸饋水，以500rpm速度球磨(10?20)h，將得到的混合物放入烘箱中，60?80°C烘干后放入管式爐中；
2)前驅體熱解處理:在氫氣和惰性氣體混合氣氛下，以(2?5)°C/min程序升溫至600?750°C進行熱解處理，在改溫度下保持2h以上，然后冷卻至室溫；
3)后處理:將煅燒后的黑色膨脹物用蒸餾水洗滌除去氯化鈉模板，再用蒸餾水洗滌至中性后干燥。
[0010]所述的有機物優選自葡萄糖、蔗糖、果糖、檸檬酸和檸檬酸鈉等易溶于水的有機物。
[0011]所述的混合氣氛是指氫氣與氮氣、氬氣兩種氣體中的一種的混合氣體。
[0012]更具體地，以金屬錫為例，本發明的納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負極材料的制備，包括以下步驟:
1)前驅體制備:以檸檬酸(或葡萄糖、蔗糖、果糖和檸檬酸鈉)為碳源，商業化微米級金屬錫為粒子源，以氯化鈉為模板，稱取(0.6?1.0)g商業化微米級金屬錫、(3?5)g檸檬酸(或葡萄糖、蔗糖、果糖和檸檬酸鈉)和(30?50)g氯化鈉，放入球磨罐中，加入(5?20)mL蒸餾水，以500rpm速度球磨(10?20)h，將得到的混合物放入烘箱中，60?80°C烘干后放入管式爐中；
2)前驅體熱解處理:制得的前驅體樣品均勻地鋪灑在燒舟底部，將燒舟置于管式爐恒溫區，先通氮氣30min，以排除管式爐內的空氣，然后通氬氣和氫氣的混合氣體，以2°C/min進行程序升溫至750°C進行碳化，在750°C下保溫2h，然后冷卻至室溫。取出產物，得到黑色膨脹固體。
[0013]3)后處理:將煅燒后的黑色膨脹物加入到500mL燒杯中，加入400mL蒸餾水，過濾，
洗滌除去氯化鈉模板，再用蒸餾水洗滌至中性后干燥。
[0014]上述方法通過簡單的球磨法結合熱解法制備納米金屬錫粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負極材料，是一種納米金屬錫粒子均勻嵌入到碳納米片中。將所得的復合材料用于鋰離子電池負極，測試其在鋰離子電池中的電化學性能。
[0015]本發明的優點在于:本發明的納米粒子嵌入碳納米片鋰離子電池負極材料中的納米粒子是均勾嵌入到碳納米片中的。在這種復合材料的結構中，在充放電過程中，納米粒子在是電化學反應