锡基合金-碳复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及钠离子电池，尤其是涉及一种锡基合金-碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，锂离子电池在移动设备，新能源车辆，移动计算，航空航天，生物医药技术等领域有着广泛应用。然而，其关键元素锂，资源分布不均，储量有限，价格高，是影响电池成本的主要因素之一。相比之下，钠元素的地壳丰度大，分布相对均匀，提炼简单。所以，从环境和成本等方面考虑，钠离子电池更具优势。

2、钠离子电池虽具有如此多优点，但也面临着诸多挑战。在锂离子电池中应用广泛的石墨在钠离子电池中性能表现不足，而目前广受关注的硬碳，比容量偏低。研究表明，过渡金属单质，合金及其复合材料具有比容量高的优点，如锡与钠形成na15sn4时，具有847mah/g的理论比容量。但此类合金在与碱金属反应过程中体积变化明显，例如，锡在锂化的过程，体积膨胀超过300%，锡在钠化的过程体积膨胀超过500%。这容易造成活性物质和sei膜破裂，组分间接触变差，电池容量衰减，循环性能变差。

3、针对上述问题，现有技术中采用材料改性的方法，形成合金以降低材料固有的膨胀率。但是使用的金属在形成合金材料后，自身电导率高，会加大电池自放电速率。自放电异常不仅影响电池的性能，而且存在安全风险。在电池组装生产过程中，电池自放电会导致负极金属游离析出，在隔膜处沉积而造成隔膜导通，形成物理微短路，导致电池损坏或者其他安全事故。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种锡基合金-碳复合材料，旨在解决现有技术中上述技术问题中的至少一种。

2、本发明的目的之二在于提供一种锡基合金-碳复合材料的制备方法。

3、本发明的目的之三在于提供一种锡基合金-碳复合材料的应用。

4、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

5、本发明的第一方面提供了一种锡基合金-碳复合材料包括碳基质以及均匀分布在所述碳基质中的锡基合金；

6、所述锡基合金包括锡和过渡金属；

7、所述过渡金属为钛和/或锰。

8、进一步地，所述锡基合金-碳复合材料包括锡基合金1wt.%~99 wt.%，余量为碳基质。

9、优选地，所述锡基合金-碳复合材料包括锡基合金30wt.%~99wt.%，余量为碳基质。

10、优选地，所述锡基合金-碳复合材料包括锡基合金50wt.%~97wt.%，余量为碳基质。

11、优选地，所述锡基合金-碳复合材料包括锡基合金70wt.%~95wt.%，余量为碳基质。

12、进一步地，所述锡基合金包括锡50wt.%~97wt.%，余量为过渡金属。

13、优选地，所述锡基合金包括锡75wt.%~95wt.%，余量为过渡金属。

14、优选地，所述锡基合金包括锡80wt.%~95wt.%，余量为过渡金属。

15、进一步地，所述锡基合金的形貌为球状或类球状，优选为球状。

16、优选地，所述锡基合金的粒径为50nm~90μm。

17、进一步地，所述锡基合金表面具有氧化物层。

18、所述氧化物层为锡的氧化物和/或过渡金属的氧化物。

19、进一步地，所述碳基质包括硬碳、软碳、活性炭、碳纳米管、碳纳米线和碳纳米球，石墨烯，焦炭，中间相炭微球中的至少一种。

20、进一步优选地，所述碳基质包括碳纳米管、碳纳米线、碳纤维和石墨烯中的至少一种。

21、进一步地，所述碳基质事先进行过预处理。

22、所述预处理的方式包括表面改性、活化、预钠化、金属元素掺杂和非金属元素掺杂中的至少一种。

23、本发明第二方面提供了所述的锡基合金-碳复合材料的制备方法，通过共沉淀法、水热法、熔融盐法、溶胶凝胶法、超声化学法、湿化学法、机械合金化法、机械混合法、真空电弧炉熔炼、磁控溅射沉积法或固相反应法方式制备得到所述锡基合金-碳复合材料。

24、所述机械混合法具体是将所述锡基合金和所述碳基质混合均匀得到所述锡基合金-碳复合材料；

25、或，

26、所述湿化学法具体是在锡化合物溶液中加入碳基质混合均匀，然后加入还原剂进行还原得到锡-碳基质中间体；最后将过渡金属的可溶性盐溶液加入锡-碳基质中间体制成的悬浊液中加热反应、洗涤离心得到所述锡基合金-碳复合材料；

27、或，

28、所述水热法具体是将所述锡基合金和所述碳基质以及粘结剂混合均匀，在水热反应釜中反应得到所述锡基合金-碳复合材料；

29、或，

30、所述磁控溅射沉积法是按照锡基合金中锡与过渡金属的比例通过磁控溅射进行物理气相沉积得到锡基合金，然后将所述锡基合金和所述碳基质混合均匀得到所述锡基合金-碳复合材料。

31、优选地，在机械混合法中，使用混料机进行所述混合。

32、优选地，所述混合的转速为300rpm~500rpm。

33、优选地，所述混合的次数为2次~5次。

34、本发明第三方面提供了一种钠离子电池包括正极、负极、隔膜和电解液；

35、所述负极包括第一方面所述的锡基合金-碳复合材料。

36、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

37、本发明提供的锡基合金-碳复合材料，一方面，锡基合金中的钛，锰元素属于非活性元素，会降低锡基合金在充放电过程中的体积膨胀率。另一方面，钛的电导率仅为2.3×106s/m，锰的电导率仅为2.1×106s/m，均低于锡的电导率9.2×106s/m，会降低电池的自放电率，两因素共同降低了锡基合金在充放电过程对负极材料的影响，提高了锡基合金-碳复合材料的稳定性，延缓了电池容量的衰减，提高了电池的循环性能和电池的寿命。

38、本发明提供的制备方法，为锡基合金-碳复合材料提供了多种可行的制备方式，工艺路线多样化，满足了不同的生产需求，提高了生产效率，减少了生产成本，同时还能更好的满足产品需求。

39、本发明提供的锡基合金-碳复合材料为钠离子电池提供了性能更好的负极材料，提高了钠离子电池的性能，拓展了钠离子电池的应用场景，促进了下游产业的发展。

技术特征：

1.一种锡基合金-碳复合材料，其特征在于，包括碳基质以及均匀分布在所述碳基质中的锡基合金；

2.根据权利要求1所述的锡基合金-碳复合材料，其特征在于，所述锡基合金-碳复合材料包括锡基合金1wt.%~99 wt.%，余量为碳基质。

3.根据权利要求1所述的锡基合金-碳复合材料，其特征在于，所述锡基合金包括锡50wt.%~97wt.%，余量为过渡金属。

4.根据权利要求1~3任一项所述的锡基合金-碳复合材料，其特征在于，所述锡基合金的形貌为球状或类球状；

5.根据权利要求1~3任一项所述的锡基合金-碳复合材料，其特征在于，所述锡基合金表面具有氧化物层；

6.根据权利要求1~3任一项所述的锡基合金-碳复合材料，其特征在于，所述碳基质包括硬碳、软碳、活性炭、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米球、石墨烯、焦炭和中间相炭微球中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的锡基合金-碳复合材料，其特征在于，所述碳基质进行过预处理操作；

8.一种权利要求1~7任一项所述的锡基合金-碳复合材料的制备方法，其特征在于，通过共沉淀法、水热法、熔融盐法、溶胶凝胶法、超声化学法、湿化学法、机械合金化法、机械混合法、真空电弧炉熔炼、磁控溅射沉积法或固相反应法方式制备得到所述锡基合金-碳复合材料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述机械混合法具体是将所述锡基合金和所述碳基质混合均匀得到所述锡基合金-碳复合材料；

10.一种钠离子电池，其特征在于，包括正极、负极、隔膜和电解液；

技术总结本发明提供了一种锡基合金‑碳复合材料及其制备方法和应用，具体涉及钠离子电池技术领域。该锡基合金‑碳复合材料包括碳基质以及均匀分布在碳基质中的锡基合金；锡基合金包括锡和过渡金属；过渡金属为钛和/或锰。本发明提供的锡基合金‑碳复合材料，一方面，锡基合金中的钛，锰元素属于非活性元素，会降低锡基合金在充放电过程中的体积膨胀率。另一方面，钛的电导率仅为2.3×10<supgt;6</supgt;S/m，锰的电导率仅为2.1×10<supgt;6</supgt;S/m，均低于锡的电导率，会降低电池的自放电率，两因素共同降低了锡基合金在充放电过程对负极材料的影响，提高了锡基合金‑碳复合材料的稳定性，延缓了电池容量的衰减，提高了电池的循环性能和电池的寿命。技术研发人员：潘文智,王星懿,何海勇受保护的技术使用者：江苏碳什科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25