【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及二次電池材料，尤其涉及一種鍺基負極材料及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、隨著移動電子設(shè)備、電動車輛和可再生能源等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，高性能儲能系統(tǒng)的需求逐漸增加，鋰離子電池和鈉離子電池作為兩種重要的能量存儲技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。它們作為高能量密度和環(huán)保的電池技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、電動車輛和儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域。
2、然而，隨著應(yīng)用需求的不斷增加，傳統(tǒng)的鋰/鈉離子電池面臨著一些挑戰(zhàn)，如能量密度、充放電速率、壽命和安全性等方面的限制。為了滿足日益增長的能源需求，研究人員不斷尋求新的電極材料，以提高電池性能并解決這些挑戰(zhàn)。
3、在這一背景下，鍺作為一種具有高能量密度和導(dǎo)電性的材料，逐漸受到研究關(guān)注。鍺的理論容量較高，可以嵌入更多的鋰/鈉離子，從而提高電池的能量儲存能力。此外，鍺在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的靈活性也為其在電池材料中的應(yīng)用提供了機會，通過合理的設(shè)計和調(diào)控，可以實現(xiàn)更好的電化學(xué)性能。
4、然而，鍺基負極材料在實際應(yīng)用中仍面臨一些問題。鍺的體積膨脹和收縮會在充放電過程中導(dǎo)致電極材料的變形和破壞，從而影響電池的壽命和穩(wěn)定性。此外，鍺基材料的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性等方面也需要進一步優(yōu)化。
5、因此，研究人員在尋求創(chuàng)新的鍺基負極材料，以解決這些挑戰(zhàn)，并提高鍺基負極材料在二次離子電池等儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用性能。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供一種鍺基負極材料及其制備方法和應(yīng)用，用以提升鍺基負極材料電池的能量密度和儲能性能，提高電極材料穩(wěn)定性
2、為此，第一方面，本專利技術(shù)實施例提供了一種鍺基負極材料，包括：鍺基復(fù)合顆粒以及包覆于所述鍺基復(fù)合顆粒的外表面的碳包覆層；
3、其中，所述多孔聚苯胺的孔隙在所述多孔聚苯胺內(nèi)部形成連續(xù)的通道和空間，用以含鍺沉積物沉積于所述多孔聚苯胺的孔隙內(nèi)，形成所述鍺基復(fù)合顆粒；所述鍺基復(fù)合顆粒中，所述多孔聚苯胺所占質(zhì)量百分比為15％-95％；所述含鍺沉積物至少包括鍺單質(zhì)，還包括或不包括硅鍺合金和/或錫鍺合金；
4、所述鍺基負極材料中，所述鍺基復(fù)合顆粒所占質(zhì)量百分比為85％-99％；
5、所述鍺單質(zhì)占所述鍺基負極材料的質(zhì)量百分比為0.1％-80％；所述硅鍺合金占所述鍺基負極材料的質(zhì)量百分比為0-15％；所述錫鍺合金占所述鍺基負極材料的質(zhì)量百分比為0-15％；
6、所述多孔聚苯胺的極性基團-nh-和＝n-用于促進鋰離子或鈉離子的吸附和插層，從而在電池的充放電過程中增加負極材料的活性位點并提高電化學(xué)活性。
7、優(yōu)選的，所述多孔聚苯胺的粒徑d50在50nm-50μm之間；所述多孔聚苯胺的孔隙的孔徑在1nm-300nm之間；所述多孔聚苯胺的孔隙率在20％-90％之間。
8、優(yōu)選的，所述鍺單質(zhì)的質(zhì)量占所述鍺基負極材料總質(zhì)量的百分比為3％-30％；
9、所述碳包覆層的質(zhì)量占所述鍺基負極材料總質(zhì)量的百分比為1％-15％；
10、所述鍺基復(fù)合材料為通過氣相沉積法將鍺源材料分解得到的含鍺沉積物沉積在所述多孔聚苯胺的孔隙中獲得；所述鍺源材料至少包括鍺烷，還包括或不包括氣化的硅鍺和/或氣化的錫鍺。
11、第二方面，本專利技術(shù)實施例提供了一種上述第一方面所述的鍺基負極材料的制備方法，所述制備方法包括：
12、將多孔聚苯胺置于氣相沉積爐的沉積室內(nèi)，并保持惰性環(huán)境；
13、向沉積室內(nèi)通入鍺源材料和惰性氣體的混合氣體，所述鍺源材料形成含鍺沉積物沉積于所述多孔聚苯胺的孔隙內(nèi)，得到鍺基復(fù)合顆粒；
14、將所述鍺基復(fù)合材顆粒在包覆爐中進行碳包覆處理形成碳包覆層，得到鍺基負極材料。
15、優(yōu)選的，所述鍺源材料至少包括鍺烷，還包括或不包括氣化的硅鍺和/或氣化的錫鍺；
16、所述惰性氣體包括氮氣和/或氬氣；所述混合氣體通入的時間為30分鐘-12小時；
17、所述混合氣體中所述鍺源材料與所述惰性氣體的質(zhì)量比為1：1-1：10。
18、優(yōu)選的，在所述鍺源材料僅包括鍺烷時，所述向沉積室內(nèi)通入鍺源材料和惰性氣體的混合氣體，所述鍺源材料形成含鍺沉積物沉積于所述多孔聚苯胺的孔隙內(nèi)，得到鍺基復(fù)合顆粒具體為：向沉積室內(nèi)通入鍺烷和惰性氣體的混合氣體，在350℃-360℃保溫，使鍺烷分解出鍺單質(zhì)，所述鍺單質(zhì)沉積在多孔聚苯胺的孔隙內(nèi)，之后在560℃進行煅燒，得到鍺基復(fù)合材料；
19、在所述鍺源材料僅包括鍺烷和氣化的硅鍺和/或氣化的錫鍺時，所述向沉積室內(nèi)通入鍺源材料和惰性氣體的混合氣體，所述鍺源材料形成含鍺沉積物沉積于所述多孔聚苯胺的孔隙內(nèi)，得到鍺基復(fù)合顆粒具體為：向沉積室內(nèi)通入鍺烷和氣化的硅鍺和/或氣化的錫鍺和惰性氣體的混合氣體，在350°c-360℃保溫，使鍺烷分解出鍺單質(zhì)，所述鍺單質(zhì)與所述硅鍺/錫鍺一起沉積在多孔聚苯胺的孔隙內(nèi)，之后在560℃進行煅燒，得到鍺基復(fù)合材料。
20、優(yōu)選的，所述碳包覆處理的方法包括：氣相包覆、液相包覆或固相包覆中的一種；
21、所述碳包覆層的質(zhì)量占所述鍺基負極材料總質(zhì)量的百分比為1％-15％；
22、所述液相包覆或固相包覆所用的碳材料包括：葡萄糖、蔗糖、液體瀝青、酚醛樹脂、聚偏氟乙烯、檸檬酸、聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一種或多種；
23、所述氣相包覆所用的碳材料包括：甲烷、乙烯、丙烯、乙炔、天然氣中的一種或多種。
24、第三方面，本專利技術(shù)實施例提供了一種負極極片，所述負極極片包括上述第一方面所述的鍺基負極材料。
25、第四方面，本專利技術(shù)實施例提供了一種二次電池，包括上述第三方面所述的負極極片。
26、優(yōu)選的，所述二次電池包括鋰離子電池和鈉離子電池。
27、本專利技術(shù)實施例提供的鍺基負極材料，可以在鍺基負極材料領(lǐng)域帶來顯著的創(chuàng)新和改進，主要包括：
28、1.提供高能量密度和儲能性能：通過引入鍺基復(fù)合顆粒和多孔聚苯胺的組合，允許將多孔聚苯胺的孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化地用于鍺基復(fù)合顆粒的形成。這樣的組合不僅可以提供更大的表面積，增加電極與電解質(zhì)之間的接觸面積，還有助于嵌入鋰離子或鈉離子，從而提高電池的能量密度和儲能性能。
29、2.提高電極材料穩(wěn)定性和循環(huán)壽命：碳包覆層作為外表面的保護層可以在一定程度上阻止鍺基復(fù)合顆粒在充放電過程中的體積變化和固體電解質(zhì)界面的破壞，這有助于減緩電極材料的衰減速度，提高電池的循環(huán)壽命。
30、3.整合多元素合金材料的優(yōu)勢：通過選擇含有鍺單質(zhì)、硅鍺合金和錫鍺合金的組合可以在材料性能上獲得多種優(yōu)勢。不同的合金成分可以在電池充放電過程中提供不同的嵌入和釋放能力，從而進一步優(yōu)化電池性能。
31、4.電化學(xué)活性提升：多孔聚苯胺中的極性基團(-nh-和＝n-)可以促進鋰離子或鈉離子的吸附和插層，從而增加負極材料的活性位點。這可以顯著提高電池的能量密度和電化學(xué)活性。
32、5.提高材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：利用多孔聚苯胺的孔隙為模板沉積鍺本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種鍺基負極材料，其特征在于，所述鍺基負極材料包括：鍺基復(fù)合顆粒以及包覆于所述鍺基復(fù)合顆粒的外表面的碳包覆層；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基負極材料，其特征在于，所述多孔聚苯胺的粒徑D50在50nm-50μm之間；所述多孔聚苯胺的孔隙的孔徑在1nm-300nm之間；所述多孔聚苯胺的孔隙率在20％-90％之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基負極材料，其特征在于，
4.一種上述權(quán)利要求1-3任一所述的鍺基負極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述鍺源材料至少包括鍺烷，還包括或不包括氣化的硅鍺和/或氣化的錫鍺；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，在所述鍺源材料僅包括鍺烷時，所述向沉積室內(nèi)通入鍺源材料和惰性氣體的混合氣體，所述鍺源材料形成含鍺沉積物沉積于所述多孔聚苯胺的孔隙內(nèi)，得到鍺基復(fù)合顆粒具體為：向沉積室內(nèi)通入鍺烷和惰性氣體的混合氣體，在350℃-360℃保溫，使鍺烷分解出鍺單質(zhì)，所述鍺單質(zhì)沉積在多孔聚苯胺的孔隙內(nèi)，之后在560°C進行煅燒，得到鍺基
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述碳包覆處理的方法包括：氣相包覆、液相包覆或固相包覆中的一種；
8.一種負極極片，其特征在于，所述負極極片包括上述權(quán)利要求1-3任一所述的鍺基負極材料。
9.一種二次電池，其特征在于，所述二次電池包括上述權(quán)利要求8所述的負極極片。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的二次電池，其特征在于，所述二次電池包括鋰離子電池和鈉離子電池。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種鍺基負極材料，其特征在于，所述鍺基負極材料包括：鍺基復(fù)合顆粒以及包覆于所述鍺基復(fù)合顆粒的外表面的碳包覆層；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基負極材料，其特征在于，所述多孔聚苯胺的粒徑d50在50nm-50μm之間；所述多孔聚苯胺的孔隙的孔徑在1nm-300nm之間；所述多孔聚苯胺的孔隙率在20％-90％之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍺基負極材料，其特征在于，
4.一種上述權(quán)利要求1-3任一所述的鍺基負極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述鍺源材料至少包括鍺烷，還包括或不包括氣化的硅鍺和/或氣化的錫鍺；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，在所述鍺源材料僅包括鍺烷時，所...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫萬周，殷營營，王朔，劉柏男，羅飛，
申請(專利權(quán))人：溧陽天目先導(dǎo)電池材料科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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