[发明专利]一种无定形锗基纳米线-石墨烯纳米复合锂离子电池负极材料及制备方法

说明书

本发明公开一种无定形锗基纳米线‑石墨烯纳米复合锂离子电池负极材料及制备方法，CaGe₂作为锗源分散于去离子水中，加入有机溶剂，在室温下快速搅拌反应，离心取上层液体分别用甲醇、去离子水洗涤三次后干燥，得到水化Ca₅Ge₂O₉纳米线，再经退火得到无定形Ca₅Ge₂O₉纳米线，再与还原氧化石墨烯和导电炭黑共同超声抽滤，真空干燥得到Ca₅Ge₂O₉/RGO/SP纳米复合负极材料。本发明其合成工艺简单，所制备的Ca₅Ge₂O₉/RGO/SP纳米复合负极材料，其中Ca₅Ge₂O₉为纳米线，减少了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，能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。

技术领域

本发明涉及电化学领域，更加具体地说，具体涉及一种无定形锗基纳米线-石墨烯纳米复合锂离子电池负极材料及制备方法。

背景技术

锂离子电池锗基负极材料具有高达1620mAh/g的理论容量，是传统的石墨负极4倍。且锗具有较高的电导率，因而成为高性能锂离子电池研究的热点。它的锂离子嵌入/脱嵌机理与Si相似，与锂形成Li22Ge5合金。然而，基于纯锗的电极由于在充放电过程中体积变化大，电导率差，最终导致容量损失严重，循环性能较差。为了提高锗基负极材料的可循环性，人们提出了几种策略，如将锗分散到非活性基体中，减小颗粒尺寸(纳米化)，以及合金化等。其中，把锗基材料纳米化(纳米粒子、纳米线、纳米管、纳米片)可以有效地缓解循环过程中体积变化产生的问题，从而大大提高锗负极材料的性能。另一种方法是合成二元或三元锗化合物，该类化合物可在初始嵌锂过程中原位形成锂化合物作为缓冲基质。与锗电极材料相比，三元锗酸盐可以降低锗含量，从而降低应用成本，并且这些三元锗酸盐作为锂离子电池负极材料最近已被研究。特别是基于元素Ca、Ge、O的三元锗酸盐，在初始脱锂过程之后原位形成的金属氧化物CaO以及Li2O，不仅能够作为缓冲基质来适应锗纳米粒子的体积变化，而且还可以有效地防止在该过程中形成的纳米锗粒子的团聚，因而成为近些年研究的热点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无定形锗基纳米线-石墨烯纳米复合锂离子电池负极材料及制备方法，由Ca5Ge2O9纳米线与还原氧化石墨烯(RGO)和导电炭黑(SP)组成。本发明的合成工艺简单，在负极材料中Ca5Ge2O9为纳米线，减少了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，能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。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种无定形锗基纳米线-石墨烯纳米复合锂离子电池负极材料，由Ca5Ge2O9纳米线、还原氧化石墨烯和导电炭黑组成，其中Ca5Ge2O9占负极材料总质量的50-80％，还原氧化石墨烯和导电炭黑之和占总质量的20-50％，还原氧化石墨烯和导电炭黑的质量比为1：(1—10)。

而且，Ca5Ge2O9占负极材料总质量的60-70％，还原氧化石墨烯和导电炭黑之和占总质量的30-40％。

而且，还原氧化石墨烯和导电炭黑的质量比为1：(2—7)。

而且，Ca5Ge2O9纳米线为水化Ca5Ge2O9纳米线经退火处理，得到的无定形Ca5Ge2O9纳米线。

上述锂离子电池负极材料的制备方法，按照下述步骤进行：