[发明专利]一种Ge/C复合纳米纤维的制备方法

说明书

本发明提供一种Ge/C复合纳米纤维的制备方法。本发明采用静电纺丝法，以聚丙烯腈为聚合物，N，N‑二甲基甲酰胺为溶剂，异丙醇锗为锗源合成了Ge/C复合纳米纤维。所合成的Ge/C复合纳米纤维具有以下特征：直径在4～7nm之间的Ge纳米颗粒高度分散在碳纤维中，碳纤维具有多孔结构。作为锂离子电池负极材料，该材料表现出极好的电化学性能。本发明的制备方法简单、易操作，本发明是通过一种简便易行的静电纺丝法，合成了Ge/C复合纳米纤维。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种Ge/C复合纳米纤维的制备方法。

背景技术

锗是未来高性能锂离子电池的一种极具潜力的负极材料，它有高达1600mAhg^-1的理论容量，超过硅400倍的锂离子扩散速率，以及超过硅10000倍的电子导电性能。这些特征使得锗具备了作为高性能锂离子电池负极材料的优势。然而，在充分嵌锂的情况下，Ge的体积膨胀到原来的370％，从而导致了电极的粉末化以及容量的迅速衰减，这是因为在充放电循环过程中，Ge颗粒会发生不可避免的团聚，绝大多数的Ge纳米结构的循环性能以及高倍率放电性能仍不能令人满意。在诸多Ge纳米材料中，0维Ge纳米颗粒表现出一定的优越性，这是因为特定尺寸的0维锗纳米颗粒在脱嵌锂过程中能够明显的减轻机械应变以及体积变化，从而使颗粒团聚最小化。

在过去的研究中，人们发现，将Ge纳米颗粒和碳纳米纤维复合是提高Ge循环性能的一条途径，这是因为碳材料作为缓冲材料可减轻Ge的颗粒团聚以及体积膨胀，此外，碳自身还有很好的电子导电性；在所有碳材料中，一维碳材料很具有吸引力，他们具有很多独特的优势，包括增强了的载流子收集能力，较高的电极-电解液接触面积，较快的锂离子扩散速率，以及较好的机械强度可有效缓解体积变化。

因此，由于以上分析的优势，科研人员将Ge纳米颗粒和碳纤维复合作为锂离子电池负极材料的研究已初见端倪。但是在此研究进展中，尽管电化学性能有所提高，但是Ge纳米颗粒与碳纤维的完美复合目前尚未实现，这是由于以下所述一条或多条原因，使Ge颗粒与碳纤维复合物的结构没有得到有效的优化，其性能仍然没有让人满意：

第一，Ge纳米颗粒必须要高度分散在维碳纤维中，这是因为局部密集的Ge纳米颗粒容易在循环过程中团聚成大颗粒；

第二，Ge纳米颗粒尺寸应严格限制，因为过大的Ge颗粒更容易团聚，它们剧烈的体积变化会破坏碳纤维的结构；

第三，如果碳材料的直径较大，它必须是多孔结构，只有这样才能保证电解液的快速浸润以及锂离子的快速扩散。

然而，要同时满足这些条件仍有难度，尤其是10nm以下的Ge纳米颗粒的合成很有难度。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的问题缺陷，提出一种Ge/C复合纳米纤维的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种Ge/C复合纳米纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)将0.4～1.0g的聚丙烯腈加入到5～10ml的N，N二甲基甲酰胺中，混合搅拌均匀，直至所述聚丙烯腈完全溶解到所述N，N二甲基甲酰胺中，得混合液；

2)将0.2～1.5ml的异丙醇锗加入到步骤1)中得到的所述混合液中，搅拌均匀，得前驱物溶液；

3)将步骤2)中得到的所述前驱物溶液转移到塑料注射器中，采用精准推进器设定流速，用高压电源设定纺丝电压，即可得纳米纤维膜前驱物；

4)将步骤3)中得到的所述纳米纤维膜前驱物置于真空干燥箱中干燥；然后将干燥后的所述纳米纤维膜前驱物在加热炉中煅烧，得黑色膜状形貌的Ge/C复合纳米纤维(Ge/CNFs)产品。