[发明专利]一种碳笼包覆多孔锗复合材料的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳笼包覆多孔锗复合材料的制备方法及应用，制备方法具体为：锗化镁在有氧气氛下热处理，然后利用乙炔分解进行碳包覆，最后酸洗得到独特的碳笼包多孔锗的结构。本发明提供了一种独特的碳笼和多孔锗的复合结构，与传统的多孔锗/碳核壳结构相比，多孔锗内部以及碳笼和锗之间的孔隙为锗的体积膨胀提供了空间，因此，更有利于碳笼的稳定以及整个结构的稳定。制备得到的碳笼包覆多孔锗复合材料作为负极材料应用于锂离子电池中，将显著提高锂离子电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种碳笼包覆多孔锗复合材料的制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池，是目前最重要的可充电电池，其广泛应用于手机、笔记本电脑等消费电子，纯电动汽车和混合动力汽车，以及其他各种军事、航天领域。虽然锂离子电池已经大规模的应用于这些领域，但是随着这些行业的快速发展，目前的锂离子电池越来越难以满意他们的性能要求。特别是电子消费领域，人们迫切的希望重量体积更小、能量密度更高的电池，即比容量更高的电池的出现。

为了制备更高容量的锂离子电池，首先得研制更高容量的正负极材料。锗作为一种高理论比容量的负极材料，因为具有超高的理论比容量（1384mAh/g）和较低的嵌锂电位，因此是最有潜力成为下一代锂离子电池负极的材料之一。

虽然锗具有以上优点，但当作为负极材料使用时，其嵌入锂离子后会发生高达270%的体积膨胀，在锂离子脱出后，体积会重新收缩。因此，在多次循环后，由于不断的剧烈的体积变化，使得锗活性材料会发生破裂、粉化甚至从集流体脱落，造成容量的衰退。因此，阻碍锗负极应用的最重要的问题就是由于巨大的体积变化造成的循环容量的快速衰减。

为了解决上述问题，研究者们提出了许多的解决方案。其中，与碳的复合是最为重要的解决方案之一。这是因为碳具有比半导体的锗更高的电子电导率，与碳的复合可以提高体系整体的导电性。然后，碳具有一定的机械性能，可以在一定程度上缓冲锗的体积膨胀效应，减小由于体积变化造成的内部应力，降低锗活性材料破裂失活的可能性，但现有的技术通常是先制备多孔锗再进行碳包覆形成碳层与多孔锗紧密贴附的核壳结构。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种碳笼包覆多孔锗复合材料的制备方法，该方法通过先对锗化镁进行热氧化得到氧化镁和锗的混合物，然后利用乙炔分解进行碳包覆，最后再酸洗去除氧化镁得到独特的碳笼包多孔锗的结构。

具体的制备方法为：将锗化镁粉在500-800℃的高温下热处理，热处理时间为5-30h，气氛为体积分数1-30%的氧气和氩气的混合气。然后将热处理产物进行包碳处理，采用乙炔裂解的方法进行碳包覆，包碳的温度为550-800℃，时间为1-10h，气氛为体积分数1-20%的乙炔和氩气的混合气。最后对包碳的产物采用过量的稀盐酸进行酸洗，稀盐酸的浓度为1mol/L，清洗后用去离子水清洗5遍后烘干，制得碳笼包覆多孔锗复合材料。

作为优选，所述锗化镁热氧化的温度为600-700℃。

作为优选，所述锗化镁热氧化时间为10-25h。

作为优选，所述锗化镁热氧化的气氛为1-10%的氧气和氩气的混合气。

作为优选，所述包碳的热处理温度为600-750℃。

作为优选，所述包碳的热处理时间为2-6h。

作为优选，所述包碳的热处理的气氛为5-15%的乙炔和氩气的混合气。

本发明中，采用了先包碳再酸洗制备多孔锗的方法，与传统的先制备多孔锗再包碳的结构是不一样的。传统的由于先形成了多孔锗，使得碳层会进入到多孔锗的孔隙内，沿着多孔锗的轮廓进行包覆，形成了碳层与多孔锗紧密贴附的核壳结构。本发明中由于先包碳，再酸洗去除氧化镁模板，使得先形成了自支撑的碳笼，酸洗后形成了多孔锗内部和碳笼与锗之间的孔隙。是一种独特的碳笼包多孔锗的结构。