[发明专利]一种高容量的层状二硫化锗纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明属于微纳米材料领域，本发明公开一种高容量的层状二硫化锗(GeS₂)纳米片及其制备方法和应用。所述层状二硫化锗纳米片是由锗源和钙源混合后在900℃～1050℃下经退火Ⅰ，将所得产物加入盐酸溶液中，在‑20℃～‑40℃搅拌，得到GeH，然后将GeH和硫源在650℃～850℃下经退火Ⅱ，经洗涤，干燥制得。本发明制备的层状GeS₂单层厚度约为1.2nm，相比于利用机械力的高能球磨方法，本发明利用原位转化法制备的GeS₂，完整地保持了GeH的层状结构。当其应用在锂离子电池负极材料时，表现出高的可逆充放电容量以及优异的循环寿命。

技术领域

本发明属于微纳米材料技术领域，更具体地，涉及一种高容量的层状二硫化锗(GeS₂)纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的不断进步和发展，环保和能源问题越来越受到人们的高度重视，绿色能源的发展为此提供了解决问题的途径。自20世纪90年代以来，锂离子电池以其电压高、能量密度大、循环寿命长、大电流放电性能好和无污染等优点，在二次电池市场上发展迅速，广泛用于手机、无线电话、摄像机、笔记本电脑等领域。但是，以商业碳基做负极材料的锂电池在应用上存在以下弊端：①过充电时易析出锂枝晶，造成电池短路，影响锂电池的安全性能；②易形成SEI膜而导致首次充放电效率较低，不可逆容量较大；③碳材料的平台电压较低，且容易引起电解液的分解，从而带来安全隐患；④在锂离子嵌入、脱出过程中体积变化较大，循环稳定性差。因此，为了发展并满足便携式设备和电动车辆日益增长的需求，必须继续探索，寻找替代材料和架构。

锗，硅，锡等材料受到高度关注，其中，由于锗可以合金化大量的锂，从而可以获得高的理论容量(1385mA hg^-1)，此外，对应于Li₁₅Ge₄，表现出高锂离子电流(3900cm²/V·s)和高电子迁移率，因此，锗是一种吸引人的高功率密度的应用负极材料。即使锗具有这些优点，但在锂合金化反应中锗电极遭受大的体积膨胀，导致较差循环性能。

而硫材料由于其元素丰富，成本效益高，环境友好，理论容量高(Li₂S:1672mA hg^-1)等特点也受到关注。然而，当硫用作电极材料时，锂在嵌入/脱出反应时体积变化大，硫的导电率低，而且锂的多硫化物在有机基电解质中的溶解度高，这些都会导致差的电化学性能。

针对锗和硫电极材料在锂离子电池应用中的问题，将GeS₂化合物以层状纳米片的形式合成，这种材料具有显著增加的表面活性和降低能量阻挡的益处。当用于电极材料时，这种二维材料的“全表面”电池，消除了大量使用和随后的潜在性的破坏性相变，锂离子可以在GeS₂之间快速脱嵌，且锂离子与GeS₂之间的相互连接强度可以防止锂离子聚集，保持结构的完整性。目前常用的合成技术有化学气相沉积法(CVD)，化学气相传输法(CVT)以及高能球磨法，但这些方法往往产率低，合成步骤复杂，大多需要表面活性剂处理，而且高能球磨法得到的产物粒径分布不易控制、均匀性、一致性较差。

综上所述，开发一种简单，简便，可控的合成高收率层状GeS₂的负极材料方法，对于提高锂离子电池容量，改善电池性能，增加电池循环寿命，减少安全隐患具有极大的推进作用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种高容量的层状二硫化锗(GeS₂)纳米片。该纳米片具有稳定的层状结构，单层厚度约为1.2nm，当其应用在锂离子电池负极材料时，表现出高的充放电能量以及很好的循环寿命。

本发明的另一目的在于提供上述高容量的层状GeS₂纳米片的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述高容量的层状GeS₂纳米片的应用。