[发明专利]一种生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料及其制备方法和应用，属于电化学领域。该材料是先将莲蓬和碱液放入反应釜中反应，得到水热处理后的原料；然后将水热处理后的原料进行煅烧，经研磨超声后得到生物质活性炭材料；最后将生物质活性炭材料配成生物质活性炭溶液，加入GeOsubgt;2/subgt;溶解，再加入乙酸盐混合，得到的混合溶液放入高压反应釜中反应，得到生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料。本发明还提供上述制备方法得到的生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料。本发明还提供上述生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料作为负极在电池中的应用。该生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料具有较高的比容量以及良好的稳定性。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了满足社会发展对能源的需求，寻找并开发清洁、可持续发展的新型能源及其高性能储能器件已然成为迫在眉睫的需求。锂离子电池作为一种能源储存器件，因其具有良好的循环稳定性，较高的电压平台以及高容量而受到广泛关注。锂离子电池由正负极材料、隔膜以及电解液构成，其中电极材料对其电化学性能起着关键性作用。随着动力汽车对大倍率设备性能需求的提升，开发具有更高功率密度以及能量密度的锂离子电池成为焦点问题。目前商业化使用的负极材料为石墨，其理论比容量仅为372mAh/g，难以满足市场对于高能量密度的电池需求。因此，需要开发具有优异电化学性能、环境友好以及高稳定性的负极材料。

锗作为一种IVA族合金型材料，其具有较高的理论嵌锂容量1600mAh/g，在IVA族中容量仅次于Si(4200mAh/g)，认为是一类潜在的锂离子电池负极材料，近些年来引起了学者们的广泛研究。同时，相比于Si而言，锗具有以下优点：

1)锗具有更小的带隙(0.6eV)，因此其电子导电性较高，大约是Si的10⁴倍；

2)锗表面不会形成稳定的氧化物，且GeO_x具有一定的水溶性；

3)工作电位较低，并且其锂离子扩散率为Si的400倍。

虽然锗具有上述的一些优点，但其作为负极材料时也遭遇与锡、硅基材料同样的问题，在充放电过程中颗粒体积结构会发生显著变化，体积变化最大可达400％，导致电极材料粉化或者从集流体表面脱落，造成材料的比容量衰减。为了克服体积膨胀问题，一般采用纳米化或复合物化，包括使其达到纳米级，增大活性材料与电解液接触的比表面积，或使单质形成二元、三元化合物以及采用其他材料对其进行的表面包覆等方法，提升整体的电化学性能。

有研究表明采用石墨烯以及碳纳米管等纳米结构碳材料，对锗基材料进行包覆得到的复合物的电化学性能包括倍率性能、循环性能等均可得到有效地改善。这是由于石墨烯具有较好的柔性、良好的电导率、较小的体积膨胀(10％)，可以作为锗基材料的活性包覆基底。在锗基材料表面包覆碳材料，可以有效缓冲充放电过程中的体积变化，防止锗颗粒的团聚。虽然上述纳米结构碳材料可以有效地改善复合材料的电化学性能，为碳材料包覆锗酸盐负极材料提供了多种选择，但这些纳米化碳材料存在制造成本高、生产流程较为复杂以及大规模生产效率低等缺点，限制了其在实际生产中的应用。

相对于石墨烯、碳纳米管而言，生物质活性炭材料是在氧气含量较低或者无氧气参与的条件下通过热解生物质原料制备的芳香化且富含碳的固体粉末材料。其不仅具有制备方法简单、耐高温、来源丰富及导电性高等特点，还有丰富的孔隙结构，是一种高效的多孔碳基底材料。但生物质活性炭材料和其他碳材料相比，较低的比容量限制了其在锂离子电池中的应用发展。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的石墨烯制造成本高以及生物质活性炭比容量低的问题，而提供一种生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料及其制备方法和应用。

本发明首先提供一种生物质活性炭包覆锗酸盐复合材料的制备方法，包括；

步骤一：将莲蓬和碱液放入反应釜中反应，得到水热处理后的原料；