[发明专利]一种无定形二氧化锗/多管道纳米碳纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维及其制备方法。一种无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维，其包括：管道化碳纳米纤维和位于所述多管道碳纳米纤维上的无定形的二氧化锗，所述二氧化锗的质量百分含量为10‑60%。本发明所制备得到的无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维益于提高锂离子电池容量及循环性能，该方法简单可控，易操作。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种二次电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动进行工作。在充放电过程中，锂离子在两个电极之间进行往返对正负极进行脱出嵌入。现今，电子设备与电动汽车迅猛发展对锂离子电池的比容量、循环性能、倍率性能提出了更高的要求。石墨是最为常用的商业负极材料，具有较低的理论容量，使得锂离子电池容量较低。

第ⅣA族元素的锗，具有较高的嵌锂容量（1600 mAh/g），可成为锂离子电池石墨负极的代替材料。相比单质锗，锗的氧化物（二氧化锗）更易获取且具有高的嵌锂容量。二氧化锗在首次放电过程中，形成Li₂O层可有效缓解材料的体积膨胀以获取更加稳定的循环性能。但二氧化锗的低导电性不利于电子传输，使其作为电极材料时具有差的倍率性能与低的高电流密度容量；另一方面，随着锂离子的嵌入/脱出，二氧化锗仍然会产生体积膨胀/收缩，导致其粉化脱落。将二氧化锗与具有良好导电性能的碳基材料进行复合能够有效提高其导电性且缓解其体积膨胀。多管道纳米碳纤维不仅为活性物质的提供了储存空间，其管道可以减小锂离子传输距离，提高材料的快速充放电性能。

发明内容

本发明提供了一种无定形二氧化锗/多管道纳米碳纤维，其作为负极材料使用益于提高锂离子电池容量及循环性能。

本发明还提供了一种一步静电纺丝方法将锗、碳前驱体和成孔剂混合纺丝，经碳化原位制得无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维的方法。本发明制备方法简单可控，聚苯乙烯作为管道模板剂，经碳化后形成多管道纳米碳纤维。无定形二氧化锗在多管道纳米碳纤维上均匀分散。

本发明解决其技术问题采用的技术方案所述如下：

一种无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维，其包括：管道化碳纳米纤维和位于所述多管道碳纳米纤维上的无定形的二氧化锗，所述二氧化锗的质量百分含量为10-60%。进一步的，所述无定形锗氧化物的质量百分含量为40-60%，最佳值为50-55%。二氧化锗的含量太少，则电池容量低；二氧化锗的含量太多，会降低电池的导电性，使其倍率性能变差。

作为优选，所述多管道碳纳米纤维直径为400-1000nm，管道直径为20-50nm。进一步的，所述多管道碳纳米纤维直径为200-800nm，最佳值为400-600nm。

一种锂离子电池，该锂离子电池采用所述的无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维作为负极材料。

一种所述的无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）二氧化锗纳米颗粒制备：将商业二氧化锗颗粒在球磨罐中进行球磨，得到二氧化锗纳米颗粒；

（2）纺丝液配制：取聚丙烯腈、聚苯乙烯以及球磨制备的二氧化锗纳米颗粒，混合溶于N-N二甲基甲酰胺，使其搅拌后得到分散均匀的静电纺丝溶液；

（3）静电纺丝：将步骤（2）所得纺丝液进行静电纺丝，得到二氧化锗/聚苯乙烯/聚丙烯腈纳米纤维；

（4）碳化：将步骤（3）所得纳米纤维在空气氛围中预氧化，随后在氩气氛围中碳化，获得无定形二氧化锗/多管道碳纳米纤维。