專利名稱：一種納米多孔銅錫合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米金屬材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種納米多孔銅錫合金材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子工業(yè)的發(fā)展，尋找具有高比能量，快速充放電能力，高安全性和低成本的電化學(xué)電池成為了研究的主流。在眾多電化學(xué)電池中，鋰離子電池因其高電壓、高容量、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好的顯著特點(diǎn)，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、空間技術(shù)、國(guó)防工業(yè)等多方面展示了廣闊的應(yīng)用前景和潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益。自從鋰離子電池誕生以來，研究的有關(guān)負(fù)極材料主要有以下幾種石墨化碳材料、無定形碳材料、氮化物、娃基材料、錫基材料、 新型合金、納米氧化物等。其中錫基材料是一種非常有前景的鋰離子電池負(fù)極材料。錫及其氧化物作為負(fù)極材料因其高容積率、高能量密度和較好的導(dǎo)電性而得到了廣泛關(guān)注，但是在電池的充放電過程中，錫負(fù)極的膨脹和收縮現(xiàn)象所導(dǎo)致的嚴(yán)重機(jī)械應(yīng)力極大地限制了電池的充放電次數(shù)和穩(wěn)定性。為解決這個(gè)弊端，目前主要提出了以下三種辦法(I)使用Cu6Sn5等錫基合金；(2)將納米尺寸的錫基材料分散在碳基體上；(3)構(gòu)建核殼納米結(jié)構(gòu)錫基材料或者采用空心碳包覆錫納米顆粒。相比較之下，第一種方 法最為簡(jiǎn)便可行，得到了大量的研究和實(shí)踐。近年來，大量關(guān)于銅錫合金的制備方法被報(bào)道，主要涉及化學(xué)還原法(W. J. Cui, F. Wang, J. Wang, H. J. Liu, C. X. Wang, Y. Y Xia, J. Power Sources, 2001，196 : 3633-3639)， 濺射法(Y. S. Lina, J. G. Duh, H. S. Sheu, J. Alloy. Compd, 2011，509:123-127)，電沉積法(X. Y. Fan, Q. C. Zhuang, G. Z. Wei, L. Huang, Q. F. Dong, S. G. Sun, JAppl. Electrochem, 2009, 39:1323-1330),電子束沉積法(R. Z. Hu, M. Q. Zeng, M. Zhu, Electrochim. Acta, 2009, 54:2843-2850)等，以上方法均制備出納米尺度的銅錫合金或者銅錫合金/錫復(fù)合材料，但均操作復(fù)雜，無法量產(chǎn)，而且不易控制合金配比，不利于工業(yè)上的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種成本低、工藝簡(jiǎn)單、可規(guī)?；a(chǎn)的納米多孔銅錫合金的制備方法。本發(fā)明是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的—種納米多孔銅錫合金的制備方法，其特征是包括以下步驟(I)按鎂50-90%，銅5-35%，其余為錫的原子百分比稱取原材料；(2)將稱量好的鎂放入石英坩堝中，并在鎂上覆蓋上一層鎂合金覆蓋劑，然后將電阻爐溫度調(diào)節(jié)至750-800°C，待鎂融化成熔融態(tài)，取出坩堝，再次加入適量鎂合金覆蓋劑，同時(shí)加入稱量好的一定配比的銅，將坩堝放回電阻爐；經(jīng)過15-20分鐘，待銅完全融入鎂金屬液之后，取出坩堝，加入一層鎂合金覆蓋劑，同時(shí)放入稱量好的錫，再次將坩堝放入電阻爐中；合金完全融化均勻之后，調(diào)節(jié)電阻溫度，待溫度降至700-750°C時(shí)取出坩堝，將合金液澆注成錠料；打磨合金錠表面后，將其切割成甩帶用的樣品；(3)取一支底部開有小孔的石英管，小孔直徑為O. 8^1. 2mm，將步驟(2)所得錠料截取小塊放入石英管中，采用高頻加熱重熔甩帶樣品；待熔體溫度達(dá)到75(T800°C，然后進(jìn)行甩帶，甩帶在氬氣保護(hù)下進(jìn)行；(4)把甩帶所得合金條帶在O. l-5mol/L的鹽酸溶液中進(jìn)行腐蝕處理，處理溫度為10-50°C，反應(yīng)時(shí)間為O. 5-2. 5小時(shí)；處理后將樣品洗至中性并置于真空容器中保存，即獲得納米多孔銅錫合金，該材料具有三維、雙連續(xù)及納米尺寸的孔洞結(jié)構(gòu)，且孔的尺寸為 20-150 納米。本發(fā)明通過合理的成分配比，經(jīng)過鹽酸溶液腐蝕之后，得到納米多孔銅錫合金，經(jīng)過掃描電鏡分析，所得納米多孔結(jié)構(gòu)中孔的尺寸為2(Tl50納米，微觀結(jié)構(gòu)均勻性較好。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)通過熔煉-甩帶法制備鎂銅錫前驅(qū)體合金，簡(jiǎn)單可控， 可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。(2)甩帶所得合金條帶厚度較小，大大縮短了腐蝕所需時(shí)間，且用一般低濃度酸即可實(shí)現(xiàn)完全腐蝕。(3)該方法制備的納米多孔銅錫合金的成分可通過控制鎂銅錫前驅(qū)體合金的成分比例得到調(diào)控。(4)該納米多孔銅錫合金孔具有三維、雙連續(xù)的結(jié)構(gòu)， 并且尺寸較小，為2(Γ150納米，其中的銅一方面由于較為細(xì)小的尺度可以提供很好的導(dǎo)電性能，另一方面提供穩(wěn)定的多孔框架結(jié)構(gòu)，減弱了鋰插入時(shí)引起的體積變化。是一種潛在的鋰離子電池負(fù)極材料。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，應(yīng)該明白的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行限定。實(shí)施例一(I)按照原子百分比50%鎂，35%銅，其余為錫的配比稱取原材料；(2)將稱量好的鎂放入石英坩堝中，并在鎂上覆蓋上一層RJ-2鎂合金覆蓋劑，然后將電阻爐溫度調(diào)節(jié)至750-800°C，待鎂融化成熔融態(tài)，取出坩堝，再次加入適量RJ-2鎂合金覆蓋劑，同時(shí)加入稱量好的一定配比的銅，將坩堝放回電阻爐；經(jīng)過15-20分鐘，待銅完全融入鎂金屬液之后，取出坩堝，加入一層RJ-2鎂合金覆蓋劑，同時(shí)放入稱量好的錫，再次將坩堝放入電阻爐中；合金完全融化均勻之后，調(diào)節(jié)電阻溫度，待溫度降至700-750°C時(shí)取出坩堝，將合金液澆注成錠料。打磨合金錠表面后，將其切割成甩帶用的樣品；(3)取一支長(zhǎng)度為400mm,直徑IOmm,底部開有小孔的石英管,小孔直徑為O. 8mm, 將步驟(2)所得錠料截取小塊放入石英管中，采用高頻加熱重熔甩帶樣品；待熔體溫度達(dá)到75(T80(TC，保溫I分鐘，然后進(jìn)行甩帶，甩帶在氬氣保護(hù)下進(jìn)行；(4)把甩帶所得合金條帶在5mol/L的鹽酸溶液中進(jìn)行腐蝕處理，處理溫度為 10°c，反應(yīng)時(shí)間為I小時(shí)；處理后將樣品洗至中性并置于真空容器中保存，即獲得納米多孔銅錫合金，該材料具有三維、雙連續(xù)及納米尺寸的孔洞結(jié)構(gòu)，且孔的尺寸為20-50納米。實(shí)施例二(I)按照原子百分比70%鎂，20%銅，其余為錫的配比稱取原材料；(2)將稱量好的鎂放入石英坩堝中，并在鎂上覆蓋上一層RJ-2鎂合金覆蓋劑，然后將電阻爐溫度調(diào)節(jié)至750-800°C，待鎂融化成熔融態(tài)，取出坩堝，再次加入適量RJ-2鎂合金覆蓋劑，同時(shí)加入稱量好的一定配比的銅，將坩堝放回電阻爐；經(jīng)過15-20分鐘，待銅完全融入鎂金屬液之后，取出坩堝，加入一層RJ-2鎂合金覆蓋劑，同時(shí)放入稱量好的錫，再次將坩堝放入電阻爐中；合金完全融化均勻之后，調(diào)節(jié)電阻溫度，待溫度降至700-750°C時(shí)取出坩堝，將合金液澆注成錠料。打磨合金錠表面后，將其切割成甩帶用的樣品；(3)取一支長(zhǎng)度為300mm，直徑8mm，底部開有小孔的石英管，小孔直徑為1mm，將步驟(2)所得錠料截取小塊放入石英管中，采用高頻加熱重熔甩帶樣品；待熔體溫度達(dá)到 75(T80(TC，保溫2分鐘，然后進(jìn)行甩帶，甩帶在氬氣保護(hù)下進(jìn)行；(4)把甩帶所得合金條帶在O. lmol/L的鹽酸溶液中進(jìn)行腐蝕處理，處理溫度為 50°C，反應(yīng)時(shí)間為2小時(shí)；處理后將樣品洗至中性并置于真空容器中保存，即獲得納米多孔銅錫合金，該材料具有三維、雙連續(xù)及納米尺寸的孔洞結(jié)構(gòu)，且孔的尺寸為70-150納米。實(shí)施例三(I)按照原子百分比90%鎂，5%銅，其余為錫的配比稱取原材料；(2)將稱量好的鎂放入石英坩堝中，并在鎂上覆蓋上一層RJ-2鎂合金覆蓋劑，然后將電阻爐溫度調(diào)節(jié)至750-800°C，待鎂融化成熔融態(tài)，取出坩堝，再次加入適量RJ-2鎂合金覆蓋劑，同時(shí)加入稱量好的一定配比的銅，將坩堝放回電阻爐；經(jīng)過15-20分鐘，待銅完全融入鎂金屬液之后，取出坩堝，加入一層RJ-5鎂合金覆蓋劑，同時(shí)放入稱量好的錫，再次將坩堝放入電阻爐中；合金完全融化均勻之后，調(diào)節(jié)電阻溫度，待溫度降至700-750°C時(shí)取出坩堝，將合金液澆注成錠料。打磨合金錠表面后，將其切割成甩帶用的樣品；(3)取一支長(zhǎng)度為450mm，直徑15mm，底部開有小孔的石英管，小孔直徑為I. 2mm, 將步驟(2)所得錠料截取小塊放入石英管中，采用高頻加熱重熔甩帶樣品；待熔體溫度達(dá)到75(T80(TC，保溫O. 5分鐘，然后進(jìn)行甩帶，甩帶在氬氣保護(hù)下進(jìn)行；(4)把甩帶所得合金條帶在3mol/L的鹽酸溶液中進(jìn)行腐蝕處理，處理溫度為 25°C，反應(yīng)時(shí)間為I. 5小時(shí)；處理后將樣品洗至中性并置于真空容器中保存，即獲得納米多孔銅錫合金，該材料具有三維、雙連續(xù)及納米尺寸的孔洞結(jié)構(gòu)，且孔的尺寸為40-80納米。權(quán)利要求
1.一種納米多孔銅錫合金材料的制備方法，其特征是包括以下步驟 (1)按鎂50-90%，銅5-35%，其余為錫的原子百分比稱取原材料； (2)將稱量好的鎂放入石英坩堝中，并在鎂上覆蓋上一層鎂合金覆蓋劑，然后將電阻爐溫度調(diào)節(jié)至750-800°C，待鎂融化成熔融態(tài)，取出坩堝，再次加入適量鎂合金覆蓋劑，同時(shí)加入稱量好的一定配比的銅，將坩堝放回電阻爐；經(jīng)過15-20分鐘，待銅完全融入鎂金屬液之后，取出坩堝，加入一層鎂合金覆蓋劑，同時(shí)放入稱量好的錫，再次將坩堝放入電阻爐中；合金完全融化均勻之后，調(diào)節(jié)電阻溫度，待溫度降至700-750°C時(shí)取出坩堝，將合金液澆注成錠料；打磨合金錠表面后，將其切割成甩帶用的樣品； (3)取一支底部開有小孔的石英管，小孔直徑為0.8^1. 2mm，將步驟(2)所得錠料截取小塊放入石英管中，采用高頻加熱重熔甩帶樣品；待熔體溫度達(dá)到75(T800°C，然后進(jìn)行甩帶，甩帶在氬氣保護(hù)下進(jìn)行； (4)把甩帶所得合金條帶在0.l-5mol/L的鹽酸溶液中進(jìn)行腐蝕處理，處理溫度為10-50°C，反應(yīng)時(shí)間為0. 5-2. 5小時(shí)；處理后將樣品洗至中性并置于真空容器中保存，即獲得納米多孔銅錫合金。
全文摘要
本發(fā)明屬于納米金屬材料制備領(lǐng)域，尤其是一種納米多孔銅錫合金材料的制備方法。本發(fā)明包括以下步驟首先，按比例稱取純金屬鎂、銅、錫，在覆蓋劑保護(hù)的情況下加熱到熔融態(tài)，并澆鑄成合金錠；然后，通過甩帶工藝制備出合金條帶；最后，在酸性溶液中進(jìn)行腐蝕處理，選擇性去除其中的鎂元素，從而得到納米多孔銅錫合金材料。該方法簡(jiǎn)單可控，成本低，并可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，制備出的納米多孔銅錫合金具有三維、雙連續(xù)及納米尺寸的孔洞結(jié)構(gòu)，且孔的尺寸為20-150納米，是一種潛在的鋰離子電池負(fù)極材料。
文檔編號(hào)C22C1/08GK102703748SQ201210233788
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者孫俊哲, 寇天一, 張弛, 張忠華 申請(qǐng)人:山東大學(xué)