[发明专利]超细纳米晶锗基材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种超细纳米晶锗基材料、其制备方法及其应用。所述超细纳米晶锗基材料的X射线衍射谱(XRD)主峰位置2θ范围在26°‑28°之间，所述衍射峰主峰半高宽为0.3rad‑1.6rad，所述纳米晶尺寸为2nm‑20nm。所述超细纳米晶锗基材料具有容量高、循环稳定的特点。所述超细纳米晶锗基材料的制备方法，该方法简单易行、成本低廉、可大规模应用。

技术领域

本发明涉及材料学领域，具体涉及一种纳米级晶锗基材料、其制备方法及应用。

背景技术

自锂离子电池1990年索尼公司商业化以来，锂离子电池常规负极材料主要为石墨材料，目前高端石墨比容量可达360-365mAh/g，已经接近372mAh/g的理论值，很难再有大幅提升的空间。而作为下一代锂离子电池的负极材料，锗的理论容量为1623mAh/g，远远高于石墨的理论容量。此外，在现目前的研究中，锗不仅具有高容量还具有很好的循环性及安全性，更为重要的是锗材料在嵌锂时比石墨材料更易于锂离子的进入，充电倍率优于石墨材料，同时锗本身为金属，导电性能优异。因此，锗是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料。

然而在充放电过程中，和其他合金类材料一样，锗的脱嵌锂反应将伴随巨大的体积变化，这造成材料结构的破坏、活性物质的脱落、材料的粉化失效，最后致使容量迅速衰减。因此在获得高容量的同时，如何缓解锗的巨大体积形变、提高锗基负极材料的循环稳定性，是锗基材料的研究重点和难点。

发明内容

综合以上考虑，本发明针对现目前锗基材料体积形变大、循环不稳定等问题，开发了一种超细纳米晶锗基材料，提出了一种简单易行、成本低廉、可大规模应用的超细纳米晶锗基材料的制备方法。

本发明的目的在于克服现目前锗基材料体积形变大、循环不稳定、难以大规模制备纳米材料的问题，为此开发了一种超细纳米晶锗基材料，提出了一种简单易行、成本低廉、可大规模应用的超细纳米晶锗基材料的制备方法。

本发明一个方面提供了一种超细纳米晶锗基材料，其特征在于，所述超细纳米晶锗基材料的X射线衍射谱(XRD)主峰位置2θ范围在26°-28°之间，所述衍射峰主峰半高宽为0.3rad-1.6rad，所述纳米晶尺寸为2nm-20nm。优选地，所述超细纳米晶锗基材料具有大体上如图1所示的X射线衍射谱。

本发明另一方面提供了所述超细纳米晶锗基材料的制备方法，包括：

将锗基材料放置于反应容器中抽真空至50Pa以下；

将锗基材料升温至800℃以上维持0.5小时以上，在锗基材料上方的收集端得到超细纳米晶锗基材料。

本发明中，所述锗基材料可以为选自金属锗单质、锗的化合物中的一种或多种，优选为金属锗单质和氧化锗的混合物，更优选金属锗单质和氧化锗的重量比为约0.9-1.1:1，例如约1:1。

本发明的方法中，所述真空度优选为40Pa以下，更优选为30Pa以下，还优选为20Pa以下。对真空度的下限没有限制，但可以为1Pa以上。如果真空度高于50Pa，会导致收集端不能制备出目标材料。

本发明的方法中，反应容器升温达到的温度优选为900℃以上，更优选为1000℃以上。温度的上限可以为1300℃以下，例如1200℃以下。如果温度高于1300℃，会导致制备的材料颗粒生长过大，制备材料不具备纳米晶结构；如果温度低于800℃，则会导致收集端不能制备出目标材料。

本发明的方法中，升温到预定温度的升温速度没有特别限制，例如可以为1℃/min以上，或者50℃/min以下，优选30℃/min以下。升温速度如果高于50℃/min以下，则会导致收集端不能制备出目标材料。

本发明的方法中，优选升温到预定温度后维持时间为1小时以上，优选2小时以上，更优选3小时以上。对于维持时间的上限没有限制，但可以为10小时以下。维持时间少于0.5小时，则影响产率；维持时间大于10小时，则浪费能耗。