[发明专利]一种锂离子电池用锗碳复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池用锗碳复合负极材料及其制备方法，所述锗碳复合负极材料包括具有三维导电网络结构的导电碳和分散在所述导电碳中的的锗纳米颗粒，所述锗纳米颗粒与所述导电碳的质量比为（25:1）～（0.5:1）。可以有效的缓冲弱化锗的体积效应，抑制锗在充放电过程中的粉化和团聚现象，提高活性材料的利用率和结构稳定性，提高电池负极的容量和长循环性能。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用锗碳复合负极材料及其制备方法，属于锂离子电池领域。

背景技术

锂离子电池具有循环寿命长、能量密度高、自放电率低、体积小、无污染等优点被广泛于各种便携式电子设备及近年来发展的电动汽车。但是，目前商用锂离子电池有限的能量密度已经不能满足未来大规模储能电网和高能量密度设备的要求。因此，寻找高容量的电极材料来提高电池的能量密度具有重要的意义。

对于负极材料而言，目前商用的石墨碳负极理论容量仅为372mAh/g，已经严重的限制了电池的发展。因此，开发新的高容量负极材料用于下一代的锂离子电池迫在眉睫。近年来，锗作为锂离子电池负极材料的研究备受关注。锗负极材料具有较高的理论容量(1600mAh/g)，较低的脱嵌锂平台，相对于硅较高的电子和离子传导率；被认为是最有潜力的新一代负极材料之一。

但是，与其他合金负极相似(例如硅、锡)，锗负极在充放电过程中也存在较大的体积变化。在充放电过程中，巨大的体积膨胀会使活性颗粒发生粉化、破碎，并从集流体上发生脱落，从而与导电网络失去电接触。同时，已经形成的固态电解质中间层(SEI)也会由于体积变化发生破裂，使锗重新暴露在电解液中形成新的SEI膜；随着循环的进行，SEI膜会变得越来越厚，造成可逆容量的不断损失。最终导致电池的循环寿命不断缩短，严重地限制了合金负极的商业化进程。

石墨烯独特的二维平面结构，同时具有优异的导电性、高比表面积、化学稳定性和热稳定性被认为是一种良好的碳源。目前已有许多关于锗碳负极材料的报道，例如用高温的碳热还原方法(C.Zhong,J.-Z.Wang,X.-W.Gao,D.Wexler,H.-K.Liu,J.Mater.Chem.A1(2013)10798-10804.)还原二氧化锗，但是结果只能得到部分还原二氧化锗的产物GeO2/Ge/C，减少了锗的利用率，在应用中会降低其容量，同时制备方法较为复杂，成本较高。还有通过热蒸发法(J.-G.Ren,Q.-H.Wu,H.Tang,G.Hong,W.Zhang,S.-T.Lee,J.Mater.Chem.A1(2013)1821-1826.)制备锗/石墨烯复合材料。利用化学沉积法将锗单质蒸发沉积到石墨烯片，制备工艺复杂，对设备要求高，产量低，不利于大规模的制备生产。例如CN104659346A公开了一种锗/碳复合负极材料及其制备方法，利用氢/氩混合气还原二氧化锗，得到了无定形碳层包覆锗纳米晶的负极材料，但是由于碳层包覆不均匀，在应用中导电性较差，同时该制备方法产率低，成本高。

鉴于此，急需提出一种锗碳复合负极材料及其制备方法，既可以利用导电碳的优势最大限度的抑制锗的体积效应，同时进一步提高其导电性，最终改善锗基负极材料的电化学性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种简单且高效的锗碳复合负极材料制备方法。

在此，一方面，本发明提供一种锗碳复合负极材料，所述锗碳复合负极材料包括具有三维导电网络结构的导电碳和分散在所述导电碳中的的锗纳米颗粒，所述锗纳米颗粒与所述导电碳的质量比为(25:1)～(0.5:1)。