锡铜合金材料及碳包覆的锡铜合金材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种锡铜合金材料及碳包覆的锡铜合金材料的制备方法，该制备方法工艺简单、颗粒大小容易控制，并且制得的锡铜合金材料及碳包覆的锡铜合金材料作为锂离子电池的负极材料具有容量高、性能稳定的优点。

权利要求

1.一种用作锂离子电池的负极材料的锡铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）以硫脲、柠檬酸、次亚磷酸钠、浓硫酸、硫酸亚锡和水配制化学镀锡镀液，所述的化学镀锡镀液中：硫脲浓度为40g/L，柠檬酸浓度为40～60g/L，次亚磷酸钠浓度为60g/L，硫酸亚锡浓度为0.2～0.4mol/L，pH为1.1；

（2）将铜粉在乙醇中搅拌分散均匀制得铜粉的悬浊液；所使用的铜粉的尺寸在50纳米至50微米之间，铜粉的悬浮液中铜粉的含量为80～120g/L;（3）保持化学镀锡镀液温度在50～55℃，按照铜和锡的摩尔比为0.4～2.0：1.0加入铜粉的悬浊液，反应时间为5～60min，过滤、干燥得到镀锡铜粉；

（4）将镀锡铜粉在220～300℃下热处理2～30h，得到锡铜合金材料。

2.一种用作锂离子电池的负极材料的碳包覆的锡铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：（a）以硫脲、柠檬酸、次亚磷酸钠、浓硫酸、硫酸亚锡、水以及水溶性碳源或导电聚合物前驱体配制化学镀锡镀液，所述的水溶性碳源选自下列一种或任意几种的组合：丙烯酸、乙醇糖、蔗糖，所述的导电聚合物前驱体为苯胺；所述的化学镀锡镀液中：硫脲浓度为40g/L，柠檬酸浓度为40～60g/L，次亚磷酸钠浓度为60g/L，硫酸亚锡浓度为0.2～0.4mol/L，水溶性碳源浓度为5～200g/L或导电聚合物前驱体浓度为2～8mol/L，pH为1.1；

（b）将铜粉在乙醇中搅拌分散均匀制得铜粉的悬浊液；所使用的铜粉的尺寸在50纳米至50微米之间，铜粉的悬浮液中铜粉的含量为80～120g/L;（c）保持化学镀锡镀液温度在50～55℃，按照铜和锡的摩尔比为0.4～2.0：1.0加入铜粉的悬浊液，反应时间为5～60min，过滤、干燥得到镀锡铜粉；

（d）将镀锡铜粉在220～300℃下热处理2～30h，得到碳包覆的锡铜合金材料。

3.一种用作锂离子电池的负极材料的碳包覆的锡铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：（A）以硫脲、柠檬酸、次亚磷酸钠、浓硫酸、硫酸亚锡以及水配制化学镀锡镀液，所述的化学镀锡镀液中：硫脲浓度为40g/L，柠檬酸浓度为40～60g/L，次亚磷酸钠浓度为60g/L，硫酸亚锡浓度为0.2～0.4mol/L，pH为1.1；

（B）将铜粉在乙醇中搅拌分散均匀制得铜粉的悬浊液；所使用的铜粉的尺寸在50纳米至50微米之间；铜粉的悬浮液中铜粉的含量为80～120g/L;（C）保持化学镀锡镀液温度在50～55℃，按照铜和锡的摩尔比为0.4～2.0：1.0加入铜粉的悬浊液，反应时间为5～60min，过滤、干燥得到镀锡铜粉；

（D）将镀锡铜粉分散于含有水溶性碳源或导电聚合物前驱体的水溶液中浸润处理，所述的水溶性碳源选自下列一种或任意几种的组合：丙烯酸、乙醇糖、蔗糖，所述的导电聚合物前驱体为苯胺；水溶性碳源的浓度为5～200g/L或导电聚合物前驱体的浓度为2～

8mol/L；所述的镀锡铜粉按铜和最后包覆的碳的摩尔比为1.0:0.1～1的比例投料；干燥后在220～300℃下热处理2～30h，即得到碳包覆的锡铜合金材料。

说明书

锡铜合金材料及碳包覆的锡铜合金材料的制备方法

(一)技术领域

[0001] 本发明属于锂离子电池领域，涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体涉及一种锡铜合金材料及碳包覆的锡铜合金材料的制备方法。(二)背景技术

[0002] 锂离子电池是新一代的绿色高能二次电池。由于能量密度大、循环寿命长、工作电压高、自放电小、无记忆效应和工作温度范围宽等优点，锂离子电池在笔记本电脑，移动通讯，数码摄像等电子产品中得到了广泛的应用。随着其应用于电动自行车、电动汽车、储能电源等大型设备，锂离子电池的容量功率需要进一步提高，但目前的正、负极材料还不能满足其要求。因此改进电池正、负极活性材料已十分迫切。

[0003] 锂离子电池负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，理所当然成为人们研究的重点。现在商业化的负极材料主要是碳负极材料。碳负极材料循环稳定性好，但它储锂容量较低，理论比容量低仅为372mAh/g，首次充放电过程中电解质分解会在碳表面形成钝化膜。而且碳负极材料嵌锂电位与金属锂的析出电位相近，电池充放电过程中，碳电极表面易析出锂枝晶，从而造成电池短路而发生爆炸等一系列安全问题。因此，我们要大力开发比容量高、循环性能好、安全性好的新型锂离子电池负极材料。

[0004] 为了解决负极材料容量低这一问题，研究者把目标转向高容量的金属(如Sn，Si，Sb等)及其化合物。纯Sn对锂电极有很高的反应活性，其理论上可以和4.4个锂原子形成合金，这使得锡具有相当高的可逆电极容量(990mAh/g)，为锡基材料用于锂离子电池展示了广阔的研究前景。但是金属锡在脱嵌锂过程中产生严重的体积膨胀效应(高达300％)，该效应能够引起电极材料粉末化，降低循环寿命。研究表明，将锡与活性或非活性元素进行合金化，可以很大程度上提高其电化学性能。在众多合金负极中，Cu-Sn合金，Cu6Sn5被认为是最具潜力的新型锂离子电池合金负极材料之一。

[0005] 目前，针对Cu6Sn5制备进行了大量的研究，如机械合金化法、共还原法、电镀法等。这些方法制备的Cu6Sn5具有良好的电化学性能，但制备条件苛刻，耗能大，工艺复杂难以大规模生产。
(三)发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种锡铜合金材料及碳包覆的锡铜合金材料的制备方法，该制备方法工艺简单、颗粒大小容易控制，并且制得的锡铜合金材料及碳包覆的锡铜合金材料作为锂离子电池的负极材料具有容量高、性能稳定的优点。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种锡铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

[0009] (1)以硫脲、柠檬酸、次亚磷酸钠、浓硫酸、硫酸亚锡和水配制化学镀锡镀液，所述的化学镀锡镀液中：硫脲浓度为40～200g/L，柠檬酸浓度为20～80g/L，次亚磷酸钠浓度为30～160g/L，硫酸亚锡浓度为0.1～0.4mol/L，pH在0.8～1.1；

[0010] (2)将铜粉在乙醇中搅拌分散均匀制得铜粉的悬浊液；

[0011] (3)保持化学镀锡镀液温度在50～55℃，按照铜和锡的摩尔比为0.4～2.0∶1.0加入铜粉的悬浊液，反应时间为5～60min，过滤、干燥得到镀锡铜粉；

[0012] (4)将镀锡铜粉在100～300℃下热处理2～30h，得到所述的铜锡合金材料。

[0013] 步骤(1)所述的化学镀锡镀液中，加入浓硫酸用以控制化学镀锡镀液的pH在0.8-1.1内。

[0014] 进一步，上述步骤(1)中，所述化学镀锡镀液中，硫脲浓度优选为40～120g/L，最优选为100g/L；柠檬酸浓度优选为30～60g/L，最优选为40g/L；次亚磷酸钠浓度优选为60～100g/L，最优选为80g/L；硫酸亚锡浓度优选为0.2～0.4mol/L，最优选为0.3mol/L。

[0015] 进一步，上述步骤(2)中，优选使用的铜粉的尺寸在50纳米至50微米之间；优选铜粉的悬浮液中铜粉的含量为80～120g/L，最优选为100g/L。

[0016] 进一步，上述步骤(3)中，优选按照铜和锡的摩尔比为0.4～1.6∶1.0投料；优选反应时间为10～20min。

[0017] 进一步，上述步骤(4)中，热处理温度优选为200～220℃，热处理时间优选为20～30小时。

[0018] 本发明提供了一种碳包覆的锡铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

[0019] (a)以硫脲、柠檬酸、次亚磷酸钠、浓硫酸、硫酸亚锡、水以及水溶性碳源或导电聚合物前驱体配制化学镀锡镀液，所述的碳源选自下列一种或任意几种的组合：乙醇、丙烯酸、乙醇糖、葡萄糖、蔗糖；所述的导电聚合物前驱体为苯胺；所述的化学镀锡镀液中：硫脲浓度为40～200g/L，柠檬酸浓度为20～80g/L，次亚磷酸钠浓度为30～160g/L，硫酸亚锡浓度为0.1～0.4mol/L，水溶性碳源的浓度为5～200g/L或导电聚合物前驱体的浓度为2～8mol/L，pH在0.8～1.1；

[0020] (b)将铜粉在乙醇中搅拌分散均匀制得铜粉的悬浊液；

[0021] (c)保持化学镀锡镀液温度在50-55℃，按照铜和锡的摩尔比为0.4～2.0∶1.0加入铜粉的悬浊液，反应时间为5～60min，过滤、干燥得到镀锡铜粉；

[0022] (d)将镀锡铜粉在100～300℃下热处理2～30h，得到所述的碳包覆的铜锡合金材料。

[0023] 上述步骤(a)中，所述的化学镀锡镀液中，加入浓硫酸用以控制化学镀锡镀液的pH在0.8-1.1内。

[0024] 进一步，上述步骤(a)中，所述化学镀锡镀液中，硫脲浓度优选为40～120g/L，最优选为100g/L；柠檬酸浓度优选为30～60g/L，最优选为40g/L；次亚磷酸钠浓度优选为60～100g/L，最优选为80g/L，硫酸亚锡浓度优选为0.2～0.4mol/L，最优选为0.3mol/L；水溶性碳源浓度优选为5～100g/L；导电聚合物前驱体浓度优选为2～8mol/L，最优选
5mol/L。

[0025] 进一步，上述步骤(b)中，优选使用的铜粉的尺寸在50纳米至50微米之间；铜粉的悬浮液中铜粉的含量为80～120g/L，最优选为100g/L。

[0026] 进一步，上述步骤(c)中，优选按照铜和锡的摩尔比为0.4～1.6∶1.0投料；优选反应时间为10～20min。

[0027] 进一步，上述步骤(d)中，热处理温度优选为200～220℃，热处理时间优选为20～30小时。

[0028] 本发明还提供了一种碳包覆的锡铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

[0029] (A)以硫脲、柠檬酸、次亚磷酸钠、浓硫酸、硫酸亚锡以及水配制化学镀锡镀液，所述的化学镀锡镀液中：硫脲浓度为40-200g/L，柠檬酸浓度为20-80g/L，次亚磷酸钠浓度为30～160g/L，硫酸亚锡浓度为0.1～0.4mol/L，pH在0.8～1.1；

[0030] (B)将铜粉在乙醇中搅拌分散均匀制得铜粉的悬浊液；

[0031] (C)保持化学镀锡镀液温度在50～55℃，按照铜和锡的摩尔比为0.4～2.0∶1.0加入铜粉的悬浊液，反应时间为5～60min，过滤、干燥得到镀锡铜粉；

[0032] (D)将镀锡铜粉分散于含有水溶性碳源或导电聚合物前驱体的水溶液中浸润处理，所述的水溶性碳源选自下列一种或任意几种的组合：乙醇、丙烯酸、乙醇糖、葡萄糖、蔗糖，所述的导电聚合物前驱体为苯胺；干燥后在100～300℃下热处理2～30h，即得到碳包覆的铜锡合金材料。

[0033] 上述步骤(A)所述的化学镀锡镀液中，加入浓硫酸用以控制化学镀锡镀液的pH在0.8-1.1内。

[0034] 进一步，上述步骤(A)中，所述化学镀锡镀液中，硫脲浓度优选为40～120g/L，最优选为100g/L；柠檬酸浓度优选为30～60g/L，最优选为40g/L；次亚磷酸钠浓度优选为60～100g/L，最优选为80g/L，硫酸亚锡浓度优选为0.2～0.4mol/L，最优选为0.3mol/L。

[0035] 进一步，上述步骤(B)中，优选使用的铜粉的尺寸在50纳米至50微米之间；铜粉的悬浮液中铜粉的含量为80～120g/L，最优选为100g/L。

[0036] 进一步，上述步骤(C)中，优选按照铜和锡的摩尔比为0.4～1.0∶1.0投料；优选反应时间为10～20min。

[0037] 进一步，上述步骤(D)中，热处理温度优选为200～220℃，热处理时间优选为20～30小时；水溶性碳源的浓度为5-200g/L，优选为5～100g/L，或导电聚合物前驱体的浓度为2-8mol/L，优选为5mol/L。

[0038] 所述步骤(D)中，本领域技术人员可以根据需要包覆的碳量来确定步骤(D)中镀锡铜粉和所述的镀锡铜粉与含有水溶性碳源或导电聚合物前驱体的水溶液的投料比，一般可按铜和最后包覆的碳的摩尔比为1.0∶0.1-1的比例投料。

[0039] 本发明制得的锡铜合金材料和碳包覆的锡铜合金材料可作为锂离子电池的负极材料。

[0040] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用化学镀的方法是在粒径为纳米至微米级的铜粉上镀锡，通过控制铜粉的尺寸就可以控制产品颗粒的大小，通过控制镀液中锡的含量就可有有效的控制合金的组分，热处理后制备成各种规格的(复合)合金粉末，具有工艺简单、颗粒大小容易控制的特点；并且得到的锡铜合金材料和碳包覆的锡铜合金材料作为锂离子电池的负极材料具有容量高、性能稳定的优点。(四)附图说明

[0041] 图1为实施例6制得的铜锡合金粉末的扫描电子显微镜照片。(五)具体实施方式

[0042] 下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

[0043] 实施例1-7为不同化学镀镀液下制备经热处理后得到的铜锡合金粉末，实施例8-9为不同包覆方法制备经热处理后得到的铜锡合金粉末。其性能总结在表格1-3。

[0044] 实施例1

[0045] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，4g硫脲，0.01mol硫酸亚锡，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0内，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在200℃下热处理20h，制备成铜锡合金粉末。

[0046] 实施例2

[0047] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，8g硫脲，0.01mol硫酸亚锡，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0内，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在200℃下热处理20h，制备成铜锡合金粉末。

[0048] 实施例3

[0049] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，10g硫脲，0.01mol硫酸亚锡，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0内，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液地加入化学镀液中，反应时间为10min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在200℃下热处理20h，制备成铜锡合金粉末。

[0050] 实施例4

[0051] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，12g硫脲，0.01mol硫酸亚锡，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0内，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液地加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在200℃下热处理20h，制备成铜锡合金粉末。

[0052] 实施例5

[0053] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，10g硫脲，0.02mol硫酸亚锡，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0内，将镀液加热到55℃。1g0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液地加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在200℃下热处理20h，制备成铜锡合金粉末。

[0054] 实施例6

[0055] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，10g硫脲，0.03mol硫酸亚锡，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0内，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液地加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在200℃下热处理20h，制备成铜锡合金粉末。对制得的铜锡合金粉末进行扫描电子显微镜测试，结果见图1。

[0056] 实施例7

[0057] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，10g硫脲，0.04mol硫酸亚锡，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0内，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液地加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在200℃下热处理20h，制备成铜锡合金粉末。

[0058] 实施例8

[0059] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，10g硫脲，0.03mol硫酸亚锡，4g葡萄糖，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0内，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液地加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在220℃下热处理30h，制备成碳包覆铜锡合金粉末。

[0060] 实施例9

[0061] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，10g硫脲，0.03mol硫酸亚锡，滴加浓硫酸控制镀液pH在1.0，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液地加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。取0.04g/ml葡萄糖溶液5ml，将得到的镀锡铜粉分散于溶液中，干燥后，在220℃下热处理30h，制备成碳包覆铜锡合金粉末。

[0062] 实施例10

[0063] 将100ml蒸馏水加入到250ml烧杯中，依次加入4g柠檬酸，8g次亚磷酸钠，10g硫脲，0.03mol硫酸亚锡，0.5mol苯胺，滴加浓硫酸控制镀液pH在0.8-1.1内，将镀液加热到55℃。1g 0.1微米的铜粉在10ml乙醇搅拌分散均匀制备成铜粉的悬浊液。接着将铜粉的悬浊液地加入化学镀液中，反应时间为20min。干燥后得到铜锡核壳结构粉末。将得到的镀锡铜粉在200℃下热处理20h，制备成碳包覆的铜锡合金粉末。

[0064] 结构性能检测：

[0065] 对上述实施例1-7制得的铜锡合金粉末进行X-射线粉末衍射测试，结果如表1所示：

[0066] 表1

[0067]

[0068] 结果表明：实施例1-6以富铜相Cu3Sn为主，实施例6得到较纯的Cu6Sn5并含少量的Sn，实施例7以富锡为主除了Cu6Sn5外还含有大量Sn。

[0069] 对上述实施例1-10制得的铜锡合金粉末和碳包覆的铜锡合金粉末采用充、放电循环测试来检测电化学性能，结果见表2和表3：

[0070] 表2

[0071]

[0072] 表3

[0073]