一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用制造技术

本发明专利技术提供了一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用，所述锗镓纳米线化学组成上包括单质锗和单质镓，所述锗镓纳米线中单质锗和单质镓的原子比为(4～9)：1。本发明专利技术以锗镓纳米线作为锂离子电池的电极材料，能够改善锂离子电池的电池循环性能与倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用
本专利技术涉及电极材料
，尤其涉及一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用。
技术介绍
锂离子电池因其循环寿命长、自放电率低、工作电压高的优点已成为便携式设备和工业储能系统中最重要的能源。然而，约150Wh/kg的低能量密度对满足未来移动设备的需求是一个挑战。由于石墨阳极只有372mAh/g的低可逆容量，利用硅、锗、锡和锑等材料替代石墨来开发高容量的锂合金阳极已经成为世界范围内的一大热点。其中，硅和锗因其理论容量分别高达4200mAh/g和1600mAh/g而成为很有发展前景的材料。但是硅和锗作为电极材料的共同缺点是在锂插入和脱嵌过程中体积膨胀很大(Si：400％，Ge：370％)，这在循环过程中会导致电极材料的粉碎和开裂，影响锂离子电池的使用效果。为了克服这一困难，人们已经进行了大量的研究来设计能够缓冲体积变化的材料，如纳米颗粒、纳米线、纳米管和三维纳米结构。在所有的纳米材料中，纳米线不仅有效的减少了体积应变，而且在与电解质接触时具有较高的界面面积，并为沿长度方向的电子传输提供了有效的通道。因此，锗纳米线受到广泛关注。虽然锗的理论容量低于硅，但是锗有一些很有前景的特性，例如，高导电率(比硅高出10000倍)和优良的锂离子扩散系数(室温下比硅高出400倍以上)，这使锗成为很有前景的高性能锂离子阳极材料。生长锗纳米线的传统方法是气-液-固(VLS)或固-液-液(SLS)方法。虽然这两种方法能有效的合成锗纳米线，但是也有一些固有的缺点，例如对于高温或者是对于低压的要求；此外，这两种方法通常使用精炼和昂贵的有毒半导体前驱体。电化学液-液-固(ECLLS)方法是一种直接从水溶液中电沉积锗纳米线的新方法，使用液态金属纳米液滴作为超微电极和晶体生长的种子；但是以该方法得到的电沉积纳米线在作为电极材料时，电化学性能不佳。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用，改善锂离子电池的电池循环性能与倍率性能。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用，所述锗镓纳米线化学组成上包括单质锗和单质镓，所述锗镓纳米线中单质锗和单质镓的原子比为(4～9)：1。优选的，所述锗镓纳米线的直径为50～100nm，长度为500～1000nm。优选的，所述锗镓纳米线的制备方法，包括以下步骤：在水氧含量低于2ppm的环境中，将GaCl3、GeCl4和离子液体混合，得到电解液；采用包括工作电极、对电极和参比电极的三电极电化学体系将所述电解液在55～65℃、-1.0～-1.5V的条件下恒压电沉积镓，在所述工作电极的表面得到镓沉积物；继续在55～65℃、-1.8～-2.2V的条件下恒压电沉积锗，在所述工作电极的表面得到锗镓纳米线。优选的，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺盐或N-丁基-N-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。优选的，所述电解液中GaCl3的浓度为0.09～0.11mol/L；GeCl4的浓度为0.09～0.11mol/L。优选的，获取所述恒压电沉积镓和所述恒压电沉积锗时所需沉积电压的方法包括以下步骤：在水氧含量低于2ppm的环境中，将GaCl3和离子液体混合，得到GaCl3电解液；将GeCl4和离子液体混合，得到GeCl4电解液；采用包括工作电极、对电极和参比电极的三电极电化学体系将所述GaCl3电解液和GeCl4电解液分别进行循环伏安曲线扫描，所得循环伏安曲线中镓的还原电压为恒压电沉积镓时的电压，所得循环伏安曲线中锗的还原电压为恒压电沉积锗时的电压。优选的，恒压电沉积所述镓的时间为30～60s。优选的，所述镓沉积物为液体微球，所述镓沉积物的粒径为30～60nm。优选的，恒压电沉积所述锗的时间为150～300s。优选的，所述锂离子电池中以锗镓纳米线作为工作电极、锂片作为对电极、聚乙烯微孔膜作为隔膜、1mol/L的LiPF6溶解在碳酸次乙酯-碳酸乙烯酯的混合溶液作为电解液。本专利技术提供了一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用，所述锗镓纳米线化学组成上包括单质锗和单质镓，所述锗镓纳米线中单质锗和单质镓的原子比为(4～9)：1。本专利技术以锗镓纳米线作为锂离子电池的电极材料，能够改善锂离子电池的电池循环性能与倍率性能。实施例中实验结果表明，以所述锗镓纳米线作为工作电极(负极材料)，组装在CR2025纽扣电池壳内制成半电池，在实验条件下，锗镓纳米线的第一次放电和充电比容量分别为1730和1537mAh/g，初始库伦效率是89％；并且从第二圈循环开始，库仑效率能保持在95％以上；50次循环后的放电容量为1414mAh/g，即使经过150次循环后，Ge-Ga纳米线电极仍能保持1146mAh/g的容量。将锗镓纳米线电极半电池在不同电流密度下测试循环比容量，锗镓纳米线在0.16、0.32、0.8、1.6、3.2、8和16A/g时的放电容量分别是1621、1506、1409、1331、1242、977和687mAh/g；并且，当电流密度再返回到0.16A/g时，容量恢复到1422mAh/g，容量保持率达到87％。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为实施例1中Cu基片上GaCl3电解液的循环伏安曲线(a)和GeCl4电解液的循环伏安曲线(b)；图2为实施例2中电沉积锗镓纳米线的示意图；图3为实施例2中在Cu基片上恒压电沉积60s后镓沉积物的扫描电子图像，放大倍数2万倍；图4为实施例2中在Cu基片上恒压电沉积300s后锗镓纳米线的扫描电子图像，放大倍数2万倍；图5为实施例2中单个锗镓纳米线的透射电子显微镜图像；图6为实施例2中锗镓纳米线的选区电子衍射图像；图7为实施例2中没有氩离子刻蚀与刻蚀120s后锗镓纳米线的X射线光电子能谱曲线；图8为实施例3中Cu基片上锗镓纳米线的光学照片及组装成的CR2025半电池光学照片；图9为实施例3中锗镓纳米线电极半电池测试循环稳定性及库伦效率图；图10为实施例3中锗镓纳米线电极半电池测试在不同电流密度下的循环图；图11为实施例3中锗镓纳米线循环测150圈之后的扫描电子显微镜图像。具体实施方式本专利技术提供了一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用，所述锗镓纳米线化学组成上包括单质锗和单质镓，所述锗镓纳米线中单质锗和单质镓的原子比为(4～9)：1。在本专利技术中，所述锗镓纳米线的直径优选为50～100nm，长度优选为500～1000nm。在本专利技术中，所述锗镓纳米线的制备方法优选包括以下步骤：在水氧含量低于2ppm的环境中，将GaCl3、GeCl4和离子液体混合，得到电解液；采用包括工作电极、对电极和参比电极的三电极电化学体系将所述电解液在55～65℃、-1.0～-1.5V的条件下恒压电沉积镓，在所述工作电极的表面得到镓沉积物；继续在55～65℃、-1.8～-2.2V的条件下恒压电沉积锗，在所述工作电极的表面得到锗镓纳米线。本专利技术优选在水氧含量低于2ppm的环境中制备所述锗镓纳米线。本专利技术优选在手套箱内制备所述锗镓纳米线；所述手套箱能控制水氧含量低于2ppm。本专利技术优选在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用，所述锗镓纳米线化学组成上包括单质锗和单质镓，所述锗镓纳米线中单质锗和单质镓的原子比为(4～9)：1。

【技术特征摘要】
1.一种锗镓纳米线作为锂离子电池电极材料的应用，所述锗镓纳米线化学组成上包括单质锗和单质镓，所述锗镓纳米线中单质锗和单质镓的原子比为(4～9)：1。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述锗镓纳米线的直径为50～100nm，长度为500～1000nm。3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述锗镓纳米线的制备方法，包括以下步骤：在水氧含量低于2ppm的环境中，将GaCl3、GeCl4和离子液体混合，得到电解液；采用包括工作电极、对电极和参比电极的三电极电化学体系将所述电解液在55～65℃、-1.0～-1.5V的条件下恒压电沉积镓，在所述工作电极的表面得到镓沉积物；继续在55～65℃、-1.8～-2.2V的条件下恒压电沉积锗，在所述工作电极的表面得到锗镓纳米线。4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺盐或N-丁基-N-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐。5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述电解液中GaCl3的浓度为0.09～0.11mol/L；GeC...

【专利技术属性】
技术研发人员：于兆亮，孟祥东，王多，李海波，孙萌，尹默，袁梦，
申请(专利权)人：吉林师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22