[发明专利]锗化氢/还原氧化石墨烯/导电炭黑纳米复合锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供锗化氢/还原氧化石墨烯/导电炭黑纳米复合锂离子电池负极材料及其制备方法，高温熔炼法制备CaGe₂晶体，然后将CaGe₂晶体作为锗源分散于浓盐酸中，在室温下快速搅拌反应，得到层状的GeH。然后将GeH分散在异丙醇中超声处理，室温真空干燥得到少层的GeH纳米片。再将GeH纳米片与RGO和SP分散在异丙醇中共同超声，室温真空干燥得到GeH/RGO/SP纳米复合负极材料。本发明制备的GeH/RGO/SP纳米复合负极材料，GeH为纳米片，减少材料循环过程中的粉化，导电性能良好的RGO的加入以及导电剂SP的均匀分散，增大材料的比表面积，有效减缓锗基材料的体积膨胀，同时为锂离子提供更多的扩散渠道，进而增强整体材料的电子导电性，用于锂离子电池，可提供高比容量、大倍率和长循环寿命。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，更具体地说涉及一种锗化氢/还原氧化石墨烯/导电炭黑(GeH/RGO/SP)纳米复合锂离子电池负极材料及制备方法。

背景技术

锗负极材料的锂离子电池近年来得到了越来越广泛的关注，它的锂离子嵌入/脱嵌机理与Si相似，与锂形成Li₂₂Ge₅合金，理论容量为1620mAh/g，比传统的石墨负极高约4倍。而锗中锂离子的扩散率是硅的400多倍，锂离子的扩散性和电子导电率较高，因此更适合大电流充放电，这些性能使锗能应用于高能量的锂离子电池负极。然而，锗基材料在嵌锂和脱锂的过程中存在类似于硅材料的较大的体积膨胀(高达370％)，引起负极材料粉化，导致电池的不可逆容量损失。

近年来，研究发现把锗的尺寸减小至纳米尺度、与材料复合、调控材料结构形态等都可以有效地缓解循环过程中体积变化产生的问题。通过把锗纳米化(纳米粒子、纳米线、纳米管、纳米片)能大大提高锗负极锂电池的循环寿命。这主要归因于纳米材料能大大降低锂化-去锂化过程中体积变化所带来的不利影响。此外，纳米材料具有更多的活性位点，能提高锂离子的扩散速率。近年来，以石墨烯为代表的二维材料的快速发展，使得类石墨烯的新二维材料得到广泛关注。GeH是一种具有直接带隙的类石墨烯二维材料，单层GeH厚度约为0.6-0.9nm，有望应用于电子器件和光催化领域等。而与Ge同族的Si的纳米片Si₆H₆已被证实作为负极材料具有优异的电化学性能。因此，GeH纳米片有望成为高性能锗基负极锂离子电池材料。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种锗化氢/还原氧化石墨烯/导电炭黑(GeH/RGO/SP)纳米复合锂离子电池负极材料及其制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

锗化氢/还原氧化石墨烯/导电炭黑纳米复合锂离子电池负极材料及其制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，在氩气保护下，将Ca和Ge按照摩尔比为(1-2):(2-4)置于石英管中并密封后，置于管式炉中以4-10℃/min的速度升温到950-1050℃并保温12-30h后，以0.01-0.5℃/min的速度降温至室温20-25℃后，得到亮银色的二锗化钙(CaGe₂)晶体；

步骤2，将步骤1制备得到的CaGe₂晶体置于反应器中，并向其中加入浓盐酸，室温20-25℃水浴条件下，搅拌2-5天后，洗涤、干燥，干燥条件：室温20-25℃下真空干燥6-12h，得到锗化氢(GeH)样品；

步骤3，将步骤2制备得到的GeH样品超声分散在异丙醇(IPA)中，超声分散时间为2-4h后，再向其中加入还原氧化石墨烯(RGO)和导电炭黑(SP)后，RGO和SP质量比为(1-2):(1-2),GeH与(RGO和SP质量之和)的质量比为(2-6):1，超声分散0.5-2h，得到GeH/RGO/SP/IPA混合液，将上述混合液室温20-25℃下真空干燥12-28h后，得到锗化氢/还原氧化石墨烯/导电炭黑(GeH/RGO/SP)纳米复合锂离子电池负极材料。