[发明专利]一种圆环状纳米二氧化锗/聚离子液体复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种圆环状纳米二氧化锗/聚离子液体复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料为一种呈圆环状分散于聚离子液体内部的二氧化锗纳米颗粒，所述复合材料中，二氧化锗均匀地分布于聚离子液体中。本发明采用乙烯基功能化咪唑鎓离子液体、四氯化锗、二乙烯苯、偶氮二异丁腈为原料，采用无水乙醇为溶剂，用自由基引发聚合法制备了呈圆环状分散于聚离子液体载体中的纳米二氧化锗复合材料。本发明作为锂离子电池负极材料，在200 mA/g的电流密度下，首次可逆容量可达1711 mAh/g，经100次循环，容量保持率为40~55%，表现出较高的充放电容量和良好的循环性能。

技术领域

本发明属于无机储能材料技术领域，具体涉及一种呈圆环状均匀分散于聚离子液体载体内部的纳米二氧化锗及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、输出电压高、输出功率大等优势。但目前的锂离子电池中，由于正极电位的限制，商用的锂离子电池一般采用钴酸锂或磷酸铁锂作为正极材料，比容量较低。为了进一步提高电池整体的能量密度，需要对锂离子电池的负极材料作进一步的改进，而硅基材料是典型的合金化型负极材料，目前，硅碳覆合材料等硅基负极已经成功投入商业化生产，并表现出比石墨更加优异的电化学性能。

锗基材料与硅基材料为同一族的合金化型负极材料，其锂离子嵌入/脱出机理与硅类似。锗基材料作为锂离子电池负极材料，具有操作电压低（0~0.4 V）、导电性能优良以及理论比容量高（1500 mAh/g）等优势，这非常适用于当前迫切需要发展的大容量、高功率锂离子电池。然而，锗基材料作为锂离子电池负极材料循环性能不理想，这是因为在充放电过程中由于锂的反复嵌入脱出引起了锗基材料体积变化剧烈，而剧烈的体积变化会导致活性物质与集流体脱离电接触，引起容量迅速衰减。

因此，需要针对锗基负极材料的不足，提供一种改进技术方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种圆环状纳米二氧化锗/聚离子液体复合材料及其制备方法和应用，制得的复合材料中，纳米二氧化锗呈圆环状均匀分散于聚离子液体内部，该复合材料作为锂离子电池负极材料不仅比容量高，而且循环性能好。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种圆环状纳米二氧化锗/聚离子液体复合材料，所述材料为聚离子液体负载纳米二氧化锗复合材料，所述复合材料中，纳米二氧化锗呈圆环状分散于聚离子液体载体中。

所述的圆环状纳米二氧化锗/聚离子液体复合材料，所述复合材料中纳米二氧化锗的直径为30~80 nm，圆环状纳米二氧化锗的直径为300~600 nm。

所述的圆环状纳米二氧化锗/聚离子液体复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将一定量咪唑鎓离子液体、四氯化锗溶解于无水乙醇中，充分搅拌混匀一段时间；

（2）然后加入一定量的交联剂二乙烯苯，搅拌一段时间；

（3）向步骤（2）配置好的混合液中加入一定量的引发剂偶氮二异丁腈，油浴加热并搅拌，自由基引发聚合反应得到块状固体材料；

（4）将所得块状固体材料用去离子水浸泡洗涤后在真空箱中干燥，用玛瑙研钵研磨均匀，得圆环状纳米二氧化锗/聚离子液体复合材料。

进一步，所述的咪唑鎓离子液体中，阳离子为含乙烯基功能基团的咪唑鎓类，阴离子为卤素阴离子、羧酸根、硝酸根或硫酸根的至少一种；所述阳离子的3-取代基为甲基、乙基、丁基、己基、辛基、羟乙基、二羟丙基、含羟基或醚键的长链取代基中的至少一种。

进一步，所述交联剂二乙烯苯、咪唑鎓溴盐和四氯化锗的质量比为（0~3）:（1~3）:2；优选的，所述四氯化锗和引发剂偶氮二异丁腈的质量比为4:1。

进一步，所述步骤（1）中乙醇液体的加入量占混合溶液的质量比为75~85 %。