[发明专利]一种锗/氮掺杂碳复合负极材料及其制备方法与应用

说明书

一种锗/氮掺杂碳复合负极材料制备方法及其应用。将环氧丙烷与环氧乙烷的聚合物(F127)溶于混合溶剂中，搅拌0.5~1 h，加入GeOsubgt;2/subgt;，室温下搅拌0.5~1.5h，得GeOsubgt;2/subgt;/F127分散液;将多巴胺分散于上述的分散液中，冷冻干燥10~15 h后得到灰色前驱体；将前驱体在惰性气氛中，煅烧后，保温2~5 h，冷却后即可。本发明Ge/N‑C复合材料可用为锂离子电池负极材料中碳层结构减缓锗颗粒在充放电过程中的体积变化，提高材料的导电性和电化学性能；多巴胺煅烧形成的氮掺杂的功能性碳材料增加电极材料的活性位点，提高材料的循环和倍率性能，本发明方法绿色环保，经济高效。

技术领域

本发明涉及一种锗/氮掺杂碳复合负极材料及其制备方法与应用，属于新材料制备技术领域。

背景技术

锂离子电池拥有如今广泛的应用范围，包括电动汽车、智能电网和混合动力汽车领域；离不开锂离子电池具有较高的能量密度和优异的长循环寿命的优点。然而，随着LIBs的深入研究与推广，传统的石墨负极材料其较低的比容量（372 mA h∙g⁻¹）已经满足不了大容量和高速率性能的时代需求。因此设计和制备出具有高比容量和快速反应动力学的LIBs负极材料是当今的研究重点。锗基负极材料因其较高的理论容量(≈1600 mA h∙g⁻¹)而被认为是最有前途的负极材料之一。但是，锗的电导率较低，且其循环性较差，在100次循环之后容量衰减到33.2mAh g⁻¹，阻碍了其实际应用。这是由于锗基材料在Li⁺插层/脱层过程中发生了大于200 %的体积变化。

为了缓解或消除锗基材料在充放电过程中的体积膨胀问题，其中，将导电性好，稳定性高的碳基材料与锗基材料进行复合，制备锗/碳复合材料已经成为当前提高锗基负极材料性能的重要举措。这是因为碳基体能够提供锗基电极材料一定的缓冲空间来抑制锗基材料的体积膨胀的问题。Ge/C材料的容量大概有370~780 mAh g⁻¹，此外，在碳基材料中引入氮等杂原子是改变碳骨架性能的重要举措，研究显示，掺杂氮的功能性碳材料可以增加电极材料的活性位点，进而提高材料的循环和倍率性能。Ge/N-C的容量大概有981 mAh g⁻¹；尽管锗/氮掺杂碳复合材料的研究取得了一些进展，但现有的锗碳复合材料的合成工艺通常是相当复杂、繁琐和昂贵的。都不利于工业上的实际应用。因此，如何合理地设计锗/氮掺杂碳复合材料、充分利用锗材料的高理论比容量和提高锗电极材料的循环稳定性，特别是降低制备成本，是锗基负极材料的研究难点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高性锗/氮掺杂碳能复合负极材料的制备方法与应用，所制备的锗/氮掺杂碳复合材料呈现出多巴胺衍生的氮掺杂碳和还原后的Ge颗粒组成的交联结构，具有优良的导电性和绿色的合成方法。应用于锂离子电池，能够减缓锗在锂化过程中形成合金而导致的体积膨胀的问题，同时，氮掺杂可以增加复合材料的氧化还原位点，提高材料作为锂离子电池负极材料的循环稳定性和比容量。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种锗/氮掺杂碳复合负极材料，所述锗/氮掺杂碳复合负极材料由多巴胺和二氧化锗在高温条件下发生还原反应后，锗颗粒以50-600纳米的纳米粒子形态存在，且被均匀分散于氮掺杂的碳基体中，获得锗/氮掺杂碳复合负极材料，制备过程中环氧丙烷与环氧乙烷的聚合物F127对二氧化锗（GeO₂）的分散作用强。

上述一种锗/氮掺杂碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）环氧丙烷与环氧乙烷的聚合物分散二氧化锗

将环氧丙烷与环氧乙烷的聚合物F127溶解于混合溶剂中，得到浓度为0.5~4 wt%的F127溶液，向F127溶液中加入二氧化锗，常温下搅拌1~2 h，其中，二氧化锗与F127的质量比为1:1~2，得到GeO₂/F127分散液；

（2）多巴胺(DA)复合二氧化锗多晶颗粒的制备