一种泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法

本发明涉及一种泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，属于锡基复合负极材料。

背景技术：

1、高能量密度的锂离子电池作为一种主要的动力来源，广泛应用于便携电子器件、电动汽车等大型产品中。但是，目前的锂离子电池在能量密度、功率等方面还不能很好地适应电动汽车等大规模储能领域的发展要求。目前广泛使用的石墨负极材料，其理论比容量(372mah g-1)，严重制约了其在高倍率、高能量、高稳定性等方面的应用。因此，寻找高容量的、替代传统的石墨类负极材料是当前研究的热点。锡基负极具有理论容量高、电导率高、成本低、安全性好等特点。然而，锡作为一种新型负极材料，其在充放电过程中会发生剧烈的体积膨胀。在充放电过程中，由于充放电过程中巨大的体积膨胀，易造成电极粉化、固体电解质界面膜(sei)不稳定、离子/电子输运障碍等问题，最终造成负极材料容量快速衰减及循环寿命差。

技术实现思路

1、针对锡基负极材料在充放电过程中产生的体积膨胀导致容量衰减比较严重的问题，本发明提出一种泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，以泡沫铜集流体为阴极，石墨板为阳极，阳极对称置于泡沫铜集流体两侧，依次在氧化石墨烯电沉积溶液、锡盐溶液、氧化石墨烯电沉积溶液中电沉积使其在泡沫铜集流体表面形成氧化石墨烯-锡-氧化石墨烯三层结构得到复合负极，复合负极再经分级热处理得到泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极。本发明泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极作为锂离子电池的负极材料，可缩短锂离子传输扩散路径，缓冲在循环过程中引起的体积膨胀，提高电极材料的比容量和循环稳定性。

2、一种泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，具体步骤如下：

3、(1)将硫酸亚锡和焦磷酸钾溶解于去离子水中得到混合溶液；混合溶液加热至温度50～60℃，依次加入甲磺酸、β-萘酚、天然樟脑和甲醛，搅拌溶解，冷却至室温得到锡盐溶液a；

4、(2)将氧化石墨烯置于空气氛围中热处理得到预处理氧化石墨烯，将预处理氧化石墨烯加入到去离子水中，超声处理得到氧化石墨烯分散液，将明胶逐滴滴入氧化石墨烯分散液中超声处理，静置去除沉淀物得到氧化石墨烯电沉积溶液b；

5、(3)以泡沫铜集流体为阴极，石墨板为阳极，阳极对称置于泡沫铜集流体两侧，在氧化石墨烯电沉积溶液b中电沉积使氧化石墨烯沉积在泡沫铜集流体阴极表面；再以表面沉积氧化石墨烯的泡沫铜集流体为阴极，石墨板为阳极，阳极对称置于泡沫铜集流体两侧，在锡盐溶液a中电沉积使锡沉积在氧化石墨烯表面；再以表面沉积锡的泡沫铜集流体为阴极，石墨板为阳极，阳极对称置于泡沫铜集流体两侧，在氧化石墨烯电沉积溶液b中电沉积使氧化石墨烯沉积在锡表面，阴极依次经乙醇和去离子水清洗，干燥得到复合负极c；

6、(4)复合负极c置于保护性气氛中匀速加热至235～300℃并保温1～6h，然后通入还原性气体，匀速升温至400～800℃并保温1～3h以还原完全并膨胀氧化石墨烯，再再随炉冷或空冷至150～230℃并保温1～3h使sn凝固完成稳定化处理，得到泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极。

7、以去离子水的体积为100ml计，步骤(1)溶液a中硫酸亚锡1～3g、焦磷酸钾25～75g、甲磺酸2～6ml、β-萘酚0.01～0.06g、天然樟脑0.01～0.06g和甲醛0.04～0.08g。

8、所述步骤(2)热处理温度为300～500℃，时间为1～4h。

9、所述步骤(2)氧化石墨烯分散液中预处理氧化石墨烯浓度为0.005～0.015g/l，明胶与氧化石墨烯分散液的体积比为1～5:100。

10、所述步骤(3)氧化石墨烯电沉积溶液b中电沉积的恒定电压1～5v，时间为10～60s。

11、所述步骤(3)锡盐溶液a中电沉积的恒定电流为10～20ma/cm2，时间为100～600s。

12、所述步骤(4)保护性气氛为ar或n2，还原性气体为ar-h2混合气。

13、所述ar-h2混合气中ar体积分数为85～90％。

14、所述保护性气氛中匀速升温速率为3～8℃/min，还原性气氛中匀速升温速率为5～10℃/min。

15、本发明的有益效果是：

16、(1)本发明以泡沫铜为集流体，硫酸亚锡、焦磷酸钾和氧化石墨烯为原料，甲磺酸、β-萘酚、天然樟脑、甲醛和明胶为电沉积液，通过分步电沉积法形成碳包覆sn颗粒的三层结构，再进行分级热处理得到泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极，价格成本低廉，制备方法简单，污染性小，性能优异；

17、(2)本发明泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极达到纳米级尺寸，锡纳米颗粒具有高表面积，增强电解质润湿性，增加活性位点，并缩短锂离子传输扩散路径；还原氧化石墨烯薄层提供活性位点，增加电极容量，并使锡纳米颗粒分布分散，减小体积膨胀带来的粉化效应；

18、(3)本发明泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的纳米结构能有效地释放体积膨胀的影响，从而避免电极粉化，保持电极的整体完整性，从而显著提高了电极材料的比容量和循环稳定性；

19、(4)本发明泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极在0.2c的电流密度下经过150次长循环容量稳定在809mah/g，表现出优异的比容量和循环稳定性。

技术特征：

1.一种泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于：以去离子水的体积为100ml计，步骤(1)溶液a中硫酸亚锡1～3g、焦磷酸钾25～75g、甲磺酸2～6ml、β-萘酚0.01～0.06g、天然樟脑0.01～0.06g和甲醛0.04～0.08g。

3.根据权利要求1所述泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于：步骤(2)热处理温度为300～500℃，时间为1～4h。

4.根据权利要求1所述泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于：步骤(2)氧化石墨烯分散液中预处理氧化石墨烯浓度为0.005～0.015g/l，明胶与氧化石墨烯分散液的体积比为1～5:100。

5.根据权利要求1所述泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于：步骤(3)氧化石墨烯电沉积溶液b中电沉积的恒定电压1～5v，时间为10～60s。

6.根据权利要求1所述泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于：步骤(3)锡盐溶液a中电沉积的恒定电流为10～20ma/cm2，时间为100～600s。

7.根据权利要求1所述泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于：步骤(4)保护性气氛为ar或n2，还原性气体为ar-h2混合气。

8.根据权利要求7所述泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于：ar-h2混合气中ar体积分数为85～90％。

9.根据权利要求7所述泡沫铜集流体表面锡-热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，其特征在于：保护性气氛中匀速升温速率为3～8℃/min，还原性气氛中匀速升温速率为5～10℃/min。

技术总结本发明涉及一种泡沫铜集流体表面锡‑热膨胀氧化石墨烯复合负极的制备方法，属于锡基复合负极材料技术领域。本发明以泡沫铜集流体为阴极，石墨板为阳极，阳极对称置于泡沫铜集流体两侧，依次在氧化石墨烯电沉积溶液、锡盐溶液、氧化石墨烯电沉积溶液中电沉积使其在泡沫铜集流体表面形成氧化石墨烯‑锡‑氧化石墨烯三层结构得到复合负极，复合负极再经分级热处理得到泡沫铜集流体表面锡‑热膨胀氧化石墨烯复合负极。本发明泡沫铜集流体表面锡‑热膨胀氧化石墨烯复合负极作为锂离子电池的负极材料，可缩短锂离子传输扩散路径，缓冲在循环过程中引起的体积膨胀，提高电极材料的比容量和循环稳定性。技术研发人员：詹肇麟,詹小丽,潘东炀,王官正,李莉,刘忠受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29