[发明专利]一种锗镓纳米线及其原位生长方法

说明书

本发明提供了一种锗镓纳米线的原位生长方法，包括以下步骤：在水氧含量低于2ppm的环境中，将GaCl₃、GeCl₄和离子液体混合，得到电解液；采用包括工作电极、对电极和参比电极的三电极电化学体系将所述电解液在55～65℃、‑1.4～‑1.6V的条件下恒压电沉积镓，在所述工作电极的表面得到镓纳米球；继续在55～65℃、‑2～‑2.3V的条件下恒压电沉积生长锗，在所述工作电极的表面原位生长锗镓纳米线。本发明提供的锗镓纳米线能改善纯锗阳极的电池循环性能与倍率性能；且本发明提供的原位生长方法操作简单、成本低。

技术领域

本发明涉及纳米线制备技术领域，尤其涉及一种锗镓纳米线及其原位生长方法。

背景技术

锂离子电池因其循环寿命长、自放电率低、工作电压高的优点已成为便携式设备和工业储能系统中最重要的能源。然而，约150Wh/kg的低能量密度对满足未来移动设备的需求是一个挑战。由于石墨阳极只有372mAh/g的低可逆容量，利用硅、锗、锡和锑等材料替代石墨来开发高容量的锂合金阳极已经成为世界范围内的一大热点。其中，硅和锗因其理论容量分别高达4200mAh/g和1600mAh/g而成为很有发展前景的材料。但是硅和锗作为电极材料的共同缺点是在锂插入和脱嵌过程中体积膨胀很大(Si：400％，Ge：370％)，这在循环过程中会导致电极材料的粉碎和开裂。

为了克服这一困难，人们已经进行了大量的研究来设计能够缓冲体积变化的材料，如纳米颗粒、纳米线、纳米管和三维纳米结构。在所有的纳米材料中，纳米线不仅有效的减少了体积应变，而且在与电解质接触时具有较高的界面面积，并为沿长度方向的电子传输提供了有效的通道。因此，锗纳米线受到广泛关注。虽然锗的理论容量低于硅，但是锗有一些很有前景的特性，例如，高导电率(比硅高出10000倍)和优良的锂离子扩散系数(室温下比硅高出400倍以上)，这使锗成为很有前景的高性能锂离子阳极材料。

生长锗纳米线的传统方法是气-液-固(VLS)或固-液-液(SLS)方法。虽然这两种方法能有效的合成锗纳米线，但是也有一些固有的缺点，例如对于高温或者是对于低压的要求；此外，这两种方法通常使用精炼和昂贵的有毒半导体前驱体。电化学液-液-固(EC LLS)方法是一种直接从水溶液中电沉积锗纳米线的新方法，使用液态金属纳米液滴作为超微电极和晶体生长的种子。然而，在水溶液中电沉积锗纳米线也有一些缺点，如很难处理的析氢反应可能会导致氢脆、需要类似氰化物的络合剂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锗镓纳米线及其原位生长方法，本发明提供的锗镓纳米线能改善纯锗阳极的电池循环性能与倍率性能；且本发明提供的原位生长方法操作简单、成本低。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种锗镓纳米线的原位生长方法，包括以下步骤：

在水氧含量低于2ppm的环境中，将GaCl₃、GeCl₄和离子液体混合，得到电解液；

采用包括工作电极、对电极和参比电极的三电极电化学体系将所述电解液在55～65℃、-1.4～-1.6V的条件下恒压电沉积镓，在所述工作电极的表面得到镓纳米球；继续在55～65℃、-2～-2.3V的条件下恒压电沉积生长锗，在所述工作电极的表面原位生长锗镓纳米线。

优选的，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺盐或N-丁基-N-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。

优选的，所述电解液中GaCl₃的浓度为0.09～0.11mol/L；GeCl₄的浓度为0.09～0.11mol/L。

优选的，所述工作电极为ITO基片或铜基片，所述参比电极为银丝，所述对电极为铂片。