[发明专利]锂离子电池锗/碳复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池锗/碳复合负极材料及其制备方法和应用。该复合负极材料包含锗纳米颗粒、中间相碳微球和无定形碳。制备方法包括：（1）将GeO₂溶解于碱溶液中，加入纳米晶纤维素，并调节所得第一悬浊液的pH值，加入中间相碳微球并搅拌形成第二悬浊液，转移到水浴中；（2）配制NaBH₄溶液，并加入经加热的第二悬浊液中，在水浴下搅拌反应，真空抽滤后洗涤，再真空干燥，将干燥固体在惰性气体或还原气氛下进行焙烧处理，即得产物。本发明的复合负极材料具有高质量容量和体积比容量、可有效缓解锗的体积变化和粉化、循环稳定性高、与含丙烯碳酸酯的电解液的兼容性好、具有良好的低温电化学性能等优点，可应用于锂离子电池。

技术领域

本发明属于电极用复合材料制备技术领域，涉及一种锂离子电池锗/碳复合负极材料及其制备方法和应用，具体涉及一种采用纳米化的锗纳米颗粒包覆中间相碳微球来制备的锗/碳复合的锂离子电池负极活性材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用。

背景技术

随着储能电源和电动汽车的迅猛发展，对锂离子电池的性能提出了更高的要求，开发高能量密度的锂离子电池成为研究重点。

目前商业化的负极材料主要是碳材料，分为无定形碳和石墨化碳两类，其中，石墨化碳的理论嵌锂容量为372mAhg^-1，大部分嵌锂容量分布在0.01-0.2V（vs. Li⁺/Li）之间，因此将其作为负极材料，可为锂离子电池提供高而平稳的工作电压，是目前锂离子电池应用最多的负极材料。但是，由于其实际的比容量可达到350mAhg^-1，接近理论容量，已经不能适应高能量密度锂离子电池的发展需求。因此，如何提高石墨基负极材料的容量是锂离子电池负极材料的研究热点。此外，石墨化碳材料在含丙烯碳酸酯的电解液中容易发生溶剂化锂离子共嵌入，这种共嵌入造成石墨层的剥离和丙烯碳酸酯的分解，导致石墨化碳材料与含丙烯碳酸酯的电解液相容性差，严重影响了其低温环境下的使用性能，因此，如何提高石墨化碳材料与含丙烯碳酸酯的电解液的兼容性从而改善其低温性能也是研究的热点。

锗（Ge）为第IVA族元素，理论质量容量高达1600 mAh·g^-1，超过石墨负极材料理论容量的4倍，锗的体积比容量可达到8500mAh·cm^-3，在替代石墨负极成为高能量密度锂离子电池负极材料方面极具潜力。但是，锗在脱嵌锂的过程中体积变化率高达300%，导致电极粉化失效，容量迅速衰减，限制了其发展。因此，如何抑制锗的粉化提高其循环稳定性也是高能量密度锂离子电池负极材料的研究热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，特别针对采用石墨碳和锗作为负极活性材料的锂离子电池在能量密度和循环稳定性等方面存在的技术问题，提供一种具有高质量比容量和体积比容量、可有效缓解锗的体积变化和粉化、循环稳定性高、与含丙烯碳酸酯的电解液的兼容性好、具有良好的低温电化学性能的锂离子电池锗/碳复合负极材料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种锂离子电池锗/碳复合负极材料，所述锂离子电池锗/碳复合负极材料主要由锗纳米颗粒、中间相碳微球和无定形碳构成。

上述的锂离子电池锗/碳复合负极材料，优选地，按质量分数计，所述中间相碳微球的含量为70%～90%，所述锗纳米颗粒的含量为25%～5%，中间相碳微球和锗纳米颗粒的总量不少于95%，所述无定形碳的含量不超过5%。

上述的锂离子电池锗/碳复合负极材料，优选地，所述锗纳米颗粒的粒径为1nm～50nm。

上述的锂离子电池锗/碳复合负极材料，优选地，所述无定形碳起到连接锗纳米颗粒与中间相碳微球的“桥梁”作用。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种锂离子电池锗/碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：