[发明专利]一种锂离子电池锗石墨烯复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池负极材料域技术，尤其是指一种锂离子电池锗石墨烯复合负极材料及其制备方法。

背景技术

目前商品化的锂离子电池大量采用石墨类碳材料作为负极材料，由于石墨类碳材料存在较低的质量比容量 ( 其理论值为 372mAh/g，实际发挥容量为 330-360mAh/g) 和较差的高倍率充放电性能，限制了锂离子电池容量的提高。为满足未来民用、工业或国防等对高容量长寿命锂离子电池的需求，研究人员在不断探索其他高容量的碳替代材料，如金属及合金类材料。其中，金属锗储锂理论比容量高达 1600mAh/g，远高于石墨类负极材料，而且锂离子在锗中的扩散速度是在硅中的 400 倍，能够满足目前对于高容量、高倍率、环境友好的锂离子电池发展需求。但纯锗电极材料与其他硅、锡等材料类似会由于嵌锂和脱锂过程中会伴随有2-3倍的体积膨胀，粉化脱离集流体导致电极循环性能变差，从而阻碍其实际应用。将纳米锗颗粒与具有超大的比表面积、超高的比强度、优秀的导电性等出众的性能的石墨烯结合起来形成复合结构发挥协同作用，高导电和高比表面积的石墨烯网络能够抑制纯锗电极在充放循环过程中体积变化导致的粉化现象，使电极活性物质保持高容量的同时，具有稳定的循环性能和倍率性能。专利CN 103247803 A公布了一种石墨烯包覆纳米锗复合材料及其制备方法和应用，采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨法制备，此方法尽管工艺简单，但耗能大，难以大规模工业化。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种锂离子电池锗石墨烯复合负极材料及其制备方法，其采用微波水热法将锗原位沉积在石墨烯表面上，石墨烯的存在能缓解或抑制材料在充放电过程中的体积膨胀效应，从而改善其电极材料的充放电循环稳定性能和倍率性能。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种锂离子电池锗石墨烯复合负极材料，由50nm～100nm的锗颗粒以及单层或多层的石墨烯复合而成，其中，纳米锗颗粒均匀地分布于石墨烯片层中，形成被石墨烯网络所包覆的三维网络结构。

一种锂离子电池锗石墨烯复合负极材料的制备方法，包括有以下步骤：

（1）搅拌分散

将锗粉20～80重量份、二氧化锗粉20～80重量份、石墨烯粉末1～20重量份和蒸馏水100～1000重量份在搅拌机中进行超声搅拌5～30 分钟；

（2）微波水热

将步骤（1）所得液体转入带有特氟龙内衬的水热反应釜中，在微波水热反应仪中并在100～300℃下处理10～100 分钟；

（3）洗涤干燥收集

将步骤（2）所得产品过滤收集并通过去离子水和乙醇反复洗涤1～5次，然后在干燥器中采用50～100 ℃干燥5～10 h，即可得到锗石墨烯复合负极材料。

作为一种优选方案，所述锗粉和二氧化锗粉的纯度均为99.99%以上。

作为一种优选方案，所述石墨烯采用氧化还原法、机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、电化学法或电弧法获得。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

本发明制备的锗石墨烯复合负极材料是经过锗和二氧化锗重新结晶原位生长在石墨烯上，锗和石墨烯的结合强度相对于其他简单混合的锗石墨烯复合材料大很多，使石墨烯网络的导电性发挥的更充分，更能有效地抑制锗的体积效应。本发明制备的锗石墨烯复合负极材料兼顾了高容量、高倍率和优良的循环稳定性特点，并且制备过程采用简单有效的微波水热反应，工艺简单，耗能少，产量高，无污染，便于推广应用，适于大规模生产。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明之较佳实施例的制备流程示意图。

具体实施方式

本发明揭示一种锂离子电池锗石墨烯复合负极材料，由50nm～100nm的锗颗粒以及单层或多层的石墨烯复合而成，其中，纳米锗颗粒均匀地分布于石墨烯片层中，形成被石墨烯网络所包覆的三维网络结构。

所述锂离子电池锗石墨烯复合负极材料的制备方法如下：包括有以下步骤：

（1）搅拌分散

将锗粉20～80重量份、二氧化锗粉20～80重量份、石墨烯粉末1～20重量份和蒸馏水100～1000重量份在搅拌机中进行超声搅拌5～30 分钟，在本实施例中，所述锗粉和二氧化锗粉的纯度均为99.99%以上，所述石墨烯采用氧化还原法、机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、电化学法或电弧法获得。