[发明专利]一种锗/碳复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种锗/碳复合负极材料及其制备方法。

背景技术

随着能源枯竭和环境恶化，发展电动汽车势在必行，为此各国都制定了相关政策。电动汽车推广面临的技术难题之一是受蓄电能力的制约，即电池容量。其容量很大程度上取决于电极材料的选择。当前，广泛应用的负极材料主要是石墨，其容量约为372mAh/g，且其电位与金属锂的电位很接近。石墨材料的低容量、较差的安全性制约锂离子电池作为动力电池的发展。因此，发展新型负极材料取代石墨对于提高电池容量极其重要。

锗基材料具有极高容量，且与硅基材料相比具有极高电导率。因此，是目前研究的一个重要材料体系。但是，锗基材料在充放电过程中存在体积膨胀问题，制约电极的稳定性。发展锗/碳复合负极材料可以有效解决这个问题,然而产量比较低。为此，开发方法简单、易于批量生产的锗/碳复合负极材料是当前的的难点。

发明内容

本发明提供一种宏量化、方法简单地锗/碳复合负极材料的制备方法，以及使用该方法制备的稳定性优异的锗/碳复合负极材料。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种锗/碳复合负极材料的制备方法，包括：将二氧化锗与聚乙烯吡咯烷酮球磨混合后，在含氩气的氢气气氛中退火，得到所述锗/碳复合负极材料。

作为本发明的优选方案，上述二氧化锗与聚乙烯吡咯烷酮的重量比为2:1～1:2。

作为本发明的优选方案，上述球磨混合的时间为1～6小时，优选为1～4小时。

作为本发明的优选方案，上述含氩气的氢气气氛为5％Ar/H₂气氛。

作为本发明的优选方案，上述退火的温度为400～800℃。

作为本发明的优选方案，上述退火的时间为1-6小时。

作为本发明的优选方案，上述聚乙烯吡咯烷酮选自PVP-K10、PVP-K20和PVP-K30中的一种或至少两种的组合。

作为本发明的优选方案，上述锗/碳复合负极材料中锗的含量为37wt％～68wt％。

作为本发明的优选方案，上述锗/碳复合负极材料中碳与氮的含量比为8:1～21:1。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种根据第一方面的方法制备的锗/碳复合负极材料。

本发明基于聚乙烯吡咯烷酮高温热解成氮掺杂碳以及二氧化锗在氢气中还原的原理，采用二氧化锗与聚乙烯吡咯烷酮为原料，球磨混合，然后在含氩气的氢气气氛中退火，即得到本发明的锗/碳复合负极材料。该方法制备的锗/碳复合负极材料具有导电性好的特点，作为锂离子电池负极材料具有循环稳定性好、倍率容量高的特点。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的锗/碳复合负极材料的透射电镜照片。

图2为本发明实施例1制备的锗/碳复合负极材料的首次放电/充电容量曲线图，其中Voltage表示充、放电电压，Special capacity表示比容量。

图3为本发明实施例1制备的锗/碳复合负极材料的充电循环性能曲线图，其中Special capacity表示比容量，Cycling number表示循环数，charge表示充电，discharge表示放电。

图4为本发明实施例1制备的锗/碳复合负极材料的倍率充电性能曲线图，其中Special capacity表示比容量，Cycle number表示循环数，charge表示充电，discharge表示放电。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明中述及锗/碳复合负极材料、锗/碳复合材料或锗纳米晶/碳复合材料，意指相同的概念，即均是锗纳米晶包覆于碳材料层内的复合材料，可作为锂离子电池负极材料使用。

本发明最关键的构思之一在于：采用二氧化锗与聚乙烯吡咯烷酮球磨混合，然后在含氩气的氢气气氛中退火，得到锗/碳复合负极材料。

本发明进一步的构思在于：通过控制二氧化锗与聚乙烯吡咯烷酮的用量、退火温度以及退火时间得到导电性好的锗/碳复合负极材料。该锗/碳复合负极材料的特点在于，碳层内均匀地包覆锗纳米晶，并且锗纳米晶的粒径分布均匀。因此，作为锂离子电池负极材料具有循环稳定性好、倍率容量高的特点。

本发明一个详细实施方案说明如下：

一种锗/碳复合负极材料的制备方法，包括：将二氧化锗与聚乙烯吡咯烷酮球磨混合后，在含氩气的氢气气氛中退火，得到锗/碳复合负极材料。