[发明专利]一种用于锂离子电池的多孔负极材料的制备方法及应用

说明书

一种用于锂离子电池的多孔负极材料的制备方法，制备步骤如下：首先制备Ge‑Si‑Al合金锭，再将其甩成条带，作为脱合金前驱体，最后利用脱合金技术将其制成双峰纳米多孔锗硅合金，作为锂离子电池多孔负极材料。所制备的锂离子电池多孔负极材料的应用，用于组装半电池。本发明的优点是：该方法利用锗和硅互相固溶的特点，结合脱合金方法制备出双峰纳米多孔锗硅合金，该材料的纳米多孔结构孔隙率较高，孔间距适宜，可缓冲活性物质充电时的体积膨胀，进一步增强了负极材料的循环寿命；具有原料成本低、制备过程简单、工艺周期短等特点，此材料做为锂离子电池的负极材料展现出较高的比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种用于锂离子电池的多孔负极材料的制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池由于其比能量大、工作电压高、循环稳定好、可快速充放电和无环境污染等优点得到了较多的关注。而锂离子电池的性能很大程度上决定于锂离子电池的电极材料。锂离子负极材料依照其机理可分为三类，锂离子嵌入类负极、转化机制负极以及合金机制负极。其中，石墨、钛酸锂等传统嵌入式负极的理论容量分别只有372mAh/g和175mAh/g。随着锂离子电池的发展，传统石墨及碳酸锂等负极会逐渐被具有高容量高稳定性的其他负极材料取代。

目前，与石墨类负极材料相比作为同为IVA族元素的锗和硅都是良好的锂离子负极材料，且此二者的容量均高于石墨。用在锗与硅合金中，硅的容量(4200mAh/g)高于锗的容量(1600mAh/g)；而锗由于其禁带宽度(0.67eV)低于硅的禁带宽度(1.12eV)，所以锗传导电子的能力优于硅。因此，研究锗硅合金负极材料可分别利用他们的优势，既提高了电池容量又提高了电导率。然而锗硅负极材料在充电过程中会发生具大的体积膨胀(约400％)，造成活性材料粉化、脱落，从而破坏了材料的结构、降低了材料嵌锂能力，致使电池的稳定性及安全性无法达到应用标准，此外已形成的SEI膜在每次循环体积膨胀与收缩的过程中容易发生破裂，使锗硅合金直接与电解液接触生成新的SEI膜。在多次循环过后具有绝缘性质的SEI膜逐渐增厚，降低了材料的电化学活性，造成容量损失。因此提高锗硅负极材料的使用寿命(循环稳定性)及安全性，必须减小锗硅合金的体积膨胀对性能带来的损害。

现有技术中，CN106058256A公布了一种用于锂离子电池的碳纳米管复合多孔硅负极材料的制备方法。该发明主要包括热还原法制备多孔硅、化学气相沉积法对多孔硅进行碳包覆且复合碳纳米管、酸处理去除铁催化剂。该发明采用热还原法、化学气相沉积法等工艺，使材料制备工艺周期长，产量低；且实验过程中的镁粉易燃易爆，存在安全隐患。CN103985836A公开了一种在镍纳米针锥阵列上制备锗负极材料的方法。该发明首先在镍基体上采用水溶液电沉积的方法制备一定高度的镍纳米针锥阵列，然后在厌氧厌水的环境中，利用离子液体电沉积的方法在镍纳米针阵列上制备锗负极材料。该方法制备的锗颗粒尺寸较大、材料孔隙率不高，且制备工艺复杂，制备周期长，产量低。S.Liu等(Nano Energy2015，13：651-657)采用脱合金工艺制备出纳米多孔锗，将其做为高性能锂离子电池的负极材料，相比于硅，锗的容量较低，且其前驱体合金使用中锗含量较多(为28.4at.％)，成本较高。

发明内容

本发明的目的是为解决上述存在的问题，提供一种用于锂离子电池的多孔负极材料的制备方法及应用，该方法利用锗和硅互相固溶的特点，结合脱合金方法制备出双峰纳米多孔锗硅合金，此材料做为锂离子电池的负极材料展现出较高的比容量和循环稳定性。

本发明的技术方案：

一种用于锂离子电池的多孔负极材料的制备方法，步骤如下：

1)Ge-Si-Al合金锭的制备