[发明专利]一种氮掺杂碳包覆铜三锗合金的复合材料Cu3

说明书

本发明涉及一种氮掺杂碳包覆铜三锗合金的复合材料Cu₃Ge‑NC及其制备方法和应用。该制备方法包括如下步骤：S1：将含氮的有机聚合物高分子溶于有机溶剂中，得含氮的有机聚合物高分子的前驱体溶液；S2：向含氮有机聚合物高分子的前驱体溶液中加入CuGeO₃纳米线，混匀得乳浊液：将乳浊液蒸发至有机溶剂挥发完全，冷却干燥得固体；S4：将固体进行热解和碳化，即得所述Cu₃Ge‑NC。本发明制备得到的复合材料Cu₃Ge‑NC具有稳定的循环性能和较高的比容量，电池的电化学性能得到了明显提升。在100mA g^‑1电流密度下，初始容量为200mAh g^‑1，循环500圈后还能保持80％的容量，库仑效率接近100％。

技术领域

本发明属于电化学钠离子电池技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳包覆铜三锗合金的复合材料Cu₃Ge-NC及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着能源问题的日益突出，新能源汽车、移动电子设备、储能技术的快速发展，有限的锂资源使金属锂的成本不断增加。由于钠成本低，储量丰富，环境友好性等特点，钠离子电池被认为是优异的下一代能源选择。但是，目前能够稳定商业化的钠离子电池负极的硬碳材料的理论比容量较低，循环性能差，难以满足实际的广泛应用，因此需要寻找一种高容量、高循环稳定性的二次电池负极材料。

合金材料由于具有良好的钠嵌入和脱离的能力，受到了广泛的关注。研究表明，在充放电过程中，基于在形成钠锗合金(Na_zGe)具有较高的理论比容量(369 mAh g^-1)。但是，由于钠离子的半径明显大于锂离子的半径，导致合金材料在嵌钠过程中的有较大体积膨胀，造成电极的破碎，其循环性能受到了限制。

因此，开发一种可体积膨胀小，结构稳定，循环性能较好的新型合金材料作为钠离子电池负极材料具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的合金材料体积变化大，循环稳定性差的缺陷和不足，提供一种氮掺杂碳包覆铜三锗合金的复合材料Cu₃Ge-NC的制备方法。本发明利用含氮的有机聚合物高分子和CuGeO₃纳米线高温退火得到氮掺杂碳包覆铜三锗合金的复合材料，其表面为棒状，以Cu₃Ge为内嵌物，氮掺杂碳为包覆层，氮元素来源于有机聚合物高分子的分解。当利用其制备钠离子电池负电极时，外层碳包覆能有效地缓解电极材料在嵌钠过程中的体积膨胀，防止电极破碎，保持结构的稳定性；并且碳和合金材料发挥协同作用，可改善负极的导电性，内层的Cu₃Ge与Na形成Na_zGe合金可以加快钠离子的嵌入和脱出，促进反应动力学。由于其的外层碳和内层铜锗合金的协同作用，与其单独的合金和碳材料相比，具有稳定的循环性能和较高的比容量，电池的电化学性能得到了明显提升。

本发明的另一目的在于提供一种氮掺杂碳包覆铜三锗合金的复合材料 Cu₃Ge-NC。

本发明的另一目的在于提供一种上述氮掺杂碳包覆铜三锗合金的复合材料Cu₃Ge-NC在制备钠离子电池电极中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种钠离子电池负极。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮掺杂碳包覆铜三锗合金的复合材料Cu₃Ge-NC的制备方法，包括如下步骤：

S1：将含氮的有机聚合物高分子溶于有机溶剂中，得含氮的有机聚合物高分子的前驱体溶液；