[发明专利]一种石墨烯包覆纳米锗复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料及其他需要石墨烯包覆结构的纳米功能材料，具体指石墨烯包覆纳米锗复合材料及其一步制备方法和应用，属于新能源及纳米功能材料技术领域。

背景技术

石墨烯作为单层或薄层石墨，具有超大的比表面积，超高的比强度，优秀的导电性等出众的性能，使其在锂离子电池、、太阳能、超级电容器、半导体、纳米电子器件、高强度材料及新型减噪散热等领域都有极大的应用空间。但其制备及合成工艺大都处于实验室阶段或极小批量生产，大规模生产石墨烯或其复合材料的工艺急需改进。

锂离子电池具有高电压、高容量、循环寿命长、安全性能好及对环境友好等显著优点，使其在便携电子设备、电动汽车、国防航天等领域的应用前景广阔。但由于目前商业化的锂离子电池负极材料石墨的理论容量低（372mAhg^-1），限制了锂离子电池容量的提高。为满足不断增长的民用、工业或国防等对高容量优良循环稳定性锂离子电池的需求。研究人员在不断探索其他高容量的碳替代材料。在众多已经研究的非碳负极材料体系中，金属Ge体系容量高、锂离子扩散系数大、导电性好，能够满足目前对于高容量、高倍率、环境友好的锂离子电池发展需求。但纯锗电极材料与其他Si、Sn等材料类似会由于嵌锂和脱锂过程中存在较大的体积变化，而逐渐粉化，脱离集流体导致活性物质失效的现象。

将石墨烯与纳米锗颗粒结合起来形成石墨烯包覆纳米锗的防护结构，石墨烯网络的高比表面积及高强度能够为纯锗电极在充放循环过程中体积变化提供保护作用，使活性物质保持高容量的同时，具有稳定的循环性能和倍率性能。但目前文献所发表的该复合材料的合成过程复杂，一般通过化学还原氧化石墨烯，再与锗的化合物进一步反应所得，合成量极少且工艺参数控制较繁琐，无法工业化量产。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种工艺简单的石墨烯包覆纳米锗颗粒复合材料。

本发明的目的之二在于提供上述复合材料的制备方法。

本发明的目的之三在于提供上述复合材料的应用。

一种石墨烯包覆纳米纯锗复合材料的制备方法，具体步骤如下：

方法一：将锗粉与石墨粉或热处理的膨胀石墨采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨法进行球磨；

方法二：先将锗粉进行介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨，然后将球磨后的锗粉与石墨粉或热处理的膨胀石墨混合后采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨法进行球磨。

优选地，所述锗粉与石墨粉或膨胀石墨按照质量比Ge：C=（0.3～8）：1进行配比。

优选地，所述球磨中采用的放电气体介质均为氩气。

优选地，所述球磨时间为3～15h。

优选地，所述球磨时间为5h。

优选地，所述介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨的方法如下：

（1）安装好球磨罐的前盖板和电极棒，将前盖板和电极棒内的铁芯分别与等离子体电源的正负两级相连，其中，电极棒内的铁芯接等离子体电源的正极，前盖板接等离子体电源的负极；

（2）在球磨罐中装入磨球和配比好的原始粉末；

（3）通过真空阀对球磨罐抽真空，然后充入放电气体介质Ar气，使球磨罐内的压力值达到0.10～0.12MPa；

（4）接通等离子体电源，设置等离子体电源电压为15KV，电流为1.5A，放电频率60KHz，启动驱动电机带动激振块，使机架及固定在机架上的球磨罐同时振动，进行介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨。

优选地，所述激振块采用双振幅5mm～10mm，电机转速930～1400r/min。

优选地，所述膨胀石墨的热处理方法：将可膨胀石墨片放在管式炉中，持续通入Ar气流，快速加热至1000℃，保温30分钟后炉冷取出。

本发明制备的石墨烯包覆纳米锗颗粒复合材料，由100nm～200nm的锗颗粒、单层或多层的石墨烯复合而成，其中，纳米锗颗粒均匀地分布于石墨烯片层中，形成被石墨烯网络所包覆的防护结构。

上述石墨烯包覆纳米纯锗复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。

本发明与现有的技术相比，具有如下有益效果：

（1）所得单层或薄层石墨烯包覆纳米锗颗粒复合材料的制备方法简单。首次采用等离子体介质阻挡辅助高能球磨法制备石墨烯包覆纳米锗颗粒复合材料。本发明的锗碳元素配比易控制，制备过程工艺简单，耗能少，产量高、参数控制简单、无污染，易实现工业化生产。

（2）所得石墨烯包覆纳米锗颗粒复合材料作为锂离子电池负极材料，具有容量高、倍率性能好及循环稳定性好等优点。

附图说明