一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料及其制备方法，所述锡/碳复合纳米纤维材料由碳纳米纤维和锡纳米颗粒构成；所述锡/碳复合纳米纤维材料中碳的质量分数为30%～60%，锡的质量分数为40%～70%；所述碳纳米纤维为氮掺杂的碳纳米纤维；所述碳纳米纤维结构纤长且连续；所述锡纳米颗粒均匀附着于碳纳米纤维表面；所述锡/碳复合纳米纤维材料作为钠电池负极材料，具备良好的可逆容量，和循环稳定性能；并且，本发明专利技术提供一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料的制备方法，采用静电纺丝法合成，工艺简单，原料来源简便，成本较低。

Tin / carbon composite nanofiber material for negative electrode of sodium battery and preparation method thereof

The present invention provides a battery anode with sodium tin / carbon composite nano fiber material and preparation method thereof, wherein the tin / carbon composite nano fiber material made of carbon nanofibers and nano tin particles; the mass fraction of carbon / TiN composite nano fiber material of carbon is 30% ~ 60%, the mass fraction of tin from 40% to 70%; the carbon nano fiber as carbon nanofibers doped with nitrogen; the carbon nano fiber structure and long continuous; the tin nano particles attached to the surface of carbon nanofibers; the tin / carbon composite nanofibers as anode material for sodium ion batteries with good preparation and reversible capacity. Cyclic stability; moreover, the invention provides a method for preparing sodium battery with tin / carbon nanofibers by electrospinning, synthesis, simple process, low cost and simple sources of raw materials.

【技术实现步骤摘要】
一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料及其制备方法
本专利技术涉及一种钠电池负极材料的制备，具体涉及一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料及其制备方法。
技术介绍
随着社会的不断发展与进步，人们面临的传统化学能源匮乏和环境恶化的问题也愈发突出，二次电池作为一种新型的环境友好能源受到世界的广泛关注。在当今新能源的发展趋势下，如何推动二次电池在电动车，智能电网等大规模储能中的应用，成为世界瞩目的话题。然而，目前发展比较迅速的锂离子电池由于锂资源匮乏（地壳中的丰度不足0.0007%），且分布不均匀，价格居高不下等缺点限制了其进一步发展。因此，发展下一代综合效能优异的储能电池新体系显得十分迫切。钠和锂处于同一主族，具有类似的电化学性质。此外，相比锂资源而言，钠储量非常丰富（地壳中的丰度约2.6%），且分布广泛、价格低廉、提炼简单。但是，目前，人们在研究碳基钠离子电池负极材料时发现碳基材料的容量都不是很高，一般低于300mAhg-1。但是随着电动汽车的开发使用，人们对电池性能的要求也越来越高，低容量的碳基材料无法满足人们对高性能负极材料的需求，因此开发高容量、稳定性好的新型负极材料对钠离子电池的发展来说显得尤为重要。Sn是理论容量最高的材料，是一种很有潜力的新型钠离子电池负极材料。但作为电极材料，Sn在电池的充放电时，在与体积较大的钠离子形成合金和分离过程中，会出现严重的体积膨胀和收缩现象，其体积的巨大变化将会严重破坏材料结构的完整性，使得材料破碎分离，从而导致电池容量的快速衰减，使得电池循环稳定性变差。因此如何解决Sn在电池充放电过程中的体积膨胀问题，成为了此材料研究的重点方向。基于以上现有技术问题，本专利技术致力于研究一种复合纳米纤维负极材料。
技术实现思路
为解决上述存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料及其制备方法，所述锡/碳复合纳米纤维材料作为钠电池负极材料，具备良好的可逆容量，和循环稳定性能；并且，所述一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料的制备方法，采用静电纺丝法合成，工艺简单，原料来源简便，成本较低。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料，所述锡/碳复合纳米纤维材料由碳纳米纤维和锡纳米颗粒构成；所述锡/碳复合纳米纤维材料中碳的质量分数为30%～60%，锡的质量分数为40%～70%；所述碳纳米纤维以聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的一种为碳源，所述锡纳米颗粒以二水合氯化亚锡、四氯化锡和乙酸亚锡中的一种为锡源；所述碳纳米纤维为氮掺杂的碳纳米纤维，氮元素均匀的分布在纳米纤维上，有利于提高纤维的导电性，有利于电极材料的电化学性能的提升；所述碳纳米纤维结构纤长且连续；所述锡纳米颗粒均匀附着于碳纳米纤维表面，这种结构不会导致锡颗粒的明显团聚，增加了钠离子电池电极材料的反应活性位点，而且能够被电解液有效的浸润活性材料，使其能够充分参加反应，从而提高了材料的比容量。并且，本专利技术所述的锡/碳复合纳米纤维材料作为钠电池负极材料，由碳纳米纤维作为支撑的基地材料，利用碳的柔韧性，也能够有效缓冲锡在充放电是的体积变化，起到保护活性材料的结构不被破坏的作用；作为基地缓冲材料的碳纳米纤维，导电性优异，电子可以顺着纤维的方向快速传递，能够提升电极材料整体的导电性，可让电子大量、快速传递，从而提升电池的倍率性能。因此，本专利技术提供的一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料，不但具有超高的电池容量，同时还具有优异的循环稳定性和倍率性能。进一步，所述碳纳米纤维的直径为100～300nm，所述锡纳米颗粒的直径为10～50nm，所述锡纳米颗粒尺寸较小，比表面积较大，有利于提升电池容量。进一步，所述锡纳米颗粒以金属态形式均匀附着于碳纳米纤维表面，良好的结晶性和在碳纳米纤维表面的均匀负载，不会导致锡纳米颗粒的明显团聚，有利于提高电极材料的容量和有关电化学性能。另，一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料的制备方法，包括以下步骤：（1）前驱体溶液配制：称取碳源和DMF于烧杯中，配制成质量分数为5～15%的碳源溶液，密封后在50～80℃下恒温搅拌1～3h，然后加入锡源，在常温下搅拌10～15h，得到透明均匀的溶液；所述碳源为聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的一种，所述锡源为二水合氯化亚锡、四氯化锡和乙酸亚锡中的一种；（2）静电纺丝法制备纳米纤维膜：将步骤（1）中得到的溶液作为纺丝液装入带有平口不锈钢针头的注射器中，将装有纺丝液的注射器安装在注射泵上，设置好静电纺丝参数；待静电纺丝过程结束后，将收集到的纳米纤维膜于70～90℃条件下干燥2～3h后取出备用；（3）纳米纤维膜退火处理：先将步骤（2）中的纳米纤维膜放入马弗炉中，然后设置升温程序，待这一过程完成后，将纳米纤维膜放入真空管式炉中，在氢氩混合气的氛围下，设置程序升温，待退火过程完成后取出即可得到锡/碳复合纳米纤维材料。优选地，步骤（2）中所述不锈钢针头的内径为0.6～0.8mm。。优选地，步骤（2）中所述静电纺丝参数设置为：喷丝头和接收装置之间的静电电压为12～15KV，喷丝头与接收装置的间距为15～20cm，注射泵推进速度为0.5～0.8mL/h，每次收集时间为4～6h。优选地，步骤（3）中所述马弗炉中的程序升温速率为2～10℃/min，并升温至200～300℃条件下维持2～4h。优选地，步骤（3）中所述氢氩混合气中氢气的体积分数为1～10%。优选地，步骤（3）中所述真空管式炉中程序升温速率为0.2～0.8℃/min，并升温至500～700℃条件下煅烧1～2h。本专利技术提供了一种利用静电纺丝制备钠离子电池负极材料的方法，通过利用最优的物质配比和设置最合适的静电纺丝参数，制备出了高容量、高循环稳定性能和良好倍率性能的锡/碳复合纳米纤维负极材料。再者，所述静电纺丝法，工艺简单，利用的原料来源简便，成本较低，适合产业化生产。本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术提供了一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料，所述碳纳米纤维为氮掺杂的碳纳米纤维；所述碳纳米纤维结构纤长且连续；所述锡纳米颗粒均匀附着于碳纳米纤维表面；所述锡/碳复合纳米纤维材料作为钠电池负极材料，具备良好的可逆容量，和循环稳定性能。（2）本专利技术提供一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料的制备方法，采用静电纺丝法合成，工艺简单，原料来源简便，成本较低。附图说明图1是本专利技术提供的一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料的透射电镜图；图2是本专利技术实施例1中锡/碳复合纳米纤维材料的扫描电镜图；图3是本专利技术实施例2中锡/碳复合纳米纤维材料的扫描电镜图；图4是本专利技术实施例3中锡/碳复合纳米纤维材料的扫描电镜图；图5是本专利技术提供的一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料的XPS图；图6是本专利技术提供的一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料的XRD图；图7是本专利技术提供的一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料在0.1C倍率下的循环性能曲线图；图8是本专利技术实施例1中锡/碳复合纳米纤维材料的倍率性能图；其中，1为500℃退火处理的锡/碳复合纳米纤维材料的循环性能曲线；2为600℃退火处理的锡/碳复合纳米纤维材料的循环性能曲线；3为700℃退火处理的锡/碳复合纳米纤维材料的循环性能曲线。具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料，其特征在于，所述锡/碳复合纳米纤维材料由碳纳米纤维和锡纳米颗粒构成；所述锡/碳复合纳米纤维材料中碳的质量分数为30%～60%，锡的质量分数为40%～70%；所述碳纳米纤维以聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的一种为碳源，所述锡纳米颗粒以二水合氯化亚锡、四氯化锡和乙酸亚锡中的一种为锡源；所述碳纳米纤维为氮掺杂的碳纳米纤维；所述碳纳米纤维结构纤长且连续；所述锡纳米颗粒均匀附着于碳纳米纤维表面。

【技术特征摘要】
1.一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料，其特征在于，所述锡/碳复合纳米纤维材料由碳纳米纤维和锡纳米颗粒构成；所述锡/碳复合纳米纤维材料中碳的质量分数为30%～60%，锡的质量分数为40%～70%；所述碳纳米纤维以聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的一种为碳源，所述锡纳米颗粒以二水合氯化亚锡、四氯化锡和乙酸亚锡中的一种为锡源；所述碳纳米纤维为氮掺杂的碳纳米纤维；所述碳纳米纤维结构纤长且连续；所述锡纳米颗粒均匀附着于碳纳米纤维表面。2.根据权利要求1所述的一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料，其特征在于，所述碳纳米纤维的直径为100～300nm，所述锡纳米颗粒的直径为10～50nm。3.根据权利要求1所述的一种钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料，其特征在于，所述锡纳米颗粒以金属态形式均匀附着于碳纳米纤维表面。4.一种如权利要求1所述的钠电池负极用锡/碳复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）前驱体溶液配制：称取碳源和DMF于烧杯中，配制成质量分数为5～15%的碳源溶液，密封后在50～80℃下恒温搅拌1～3h，然后加入锡源，在常温下搅拌10～15h，得到的溶液备用；（2）静电纺丝法制备纳米纤维膜：将步骤（1）中得到的溶液作为纺丝液装入带有平口不锈钢针头的注射器中，将装有纺丝液的注射器安装在注射泵上，设置好静电纺丝参数；待静电纺丝过程结束后，将收集到的纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭辉，沙漠，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32