一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料及其制备方法，所述复合材料为一维纳米电缆结构，石墨烯为“电缆”芯，无定型碳为“电缆”外壳，GeO2纳米颗粒均匀地分布于纳米电缆结构的“电缆”芯中和“电缆”外壳中。相对于现有技术，本发明专利技术采用氧化石墨烯、GeO2粉末为原料，采用聚丙烯腈、DMF溶液分别为聚合物和溶剂，用静电纺丝法制备了具有纳米电缆结构的石墨烯/无定型碳@GeO2复合材料；本发明专利技术的复合材料为一维纳米电缆结构，直径200~500 nm，长度80~1000μm；本发明专利技术用于锂离子电池负电极材料时，在1000 mA/g的高电流密度下，首次可逆容量可达500~800 mAh/g，经100次循环，容量保持率为60%~75%，不仅较高的充放电容量，而且表现出良好的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料及其制备方法
本专利技术属于无机储能材料
，具体涉及一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池是当前最先进的化学储能设备之一，它广泛应用到电动汽车、混合动力汽车等新能源设备上。然而锂离子电池所用的石墨负极材料，理论容量只有372mAh/g，而且存在一定的安全性问题。锂离子电池容量的提高须从电极材料入手。而化学性能稳定的GeO2具有较低的操作电压（0~0.4V）和较高的理论容量（1100mAh/g），适合替代石墨。但是GeO2循环性能较差，这是因为在充放电过程中由于锂的反复嵌入脱出引起了体积变化剧烈。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料及其制备方法，其充放电性能优异，电池容量高，循环性能好。本专利技术的目的是以下述方式实现的：一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料，所述复合材料为一维纳米电缆结构，石墨烯为“电缆”芯，无定型碳为“电缆”外壳，GeO2纳米颗粒均匀地分布于纳米电缆结构的“电缆”芯中和“电缆”外壳中。所述一维纳米电缆的直径200~500nm，长度80~1000μm。所述复合材料包括以下比例的原料：聚丙烯腈：氧化石墨烯：GeO2的质量比为（4~10）：1：（1~3）。所述复合材料的原料还包括溶剂DMF溶液。本专利技术还提供一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@GeO2复合材料的制备方法，由以下步骤组成：（1）首先将聚丙烯腈完全溶解于DMF溶液，随后添加氧化石墨烯粉末以及二氧化锗粉末，搅拌将溶液混合均匀，然后超声以保证完全溶解，得到混合液；（2）将上述配置好的混合液加入到静电纺丝装置中，在电压条件下静电纺丝，得到纺丝产品；（3）将上述纺丝产品在氩气气氛下进行高温煅烧，即得纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料。所述步骤（1）中聚丙烯腈：氧化石墨烯：GeO2的质量比为（4~10）：1：（1~3）。所述步骤（1）中搅拌的时间为8~12小时，超声时间为0.7~1.3小时。所述步骤（2）中电压为18~23KV。所述步骤（3）中高温煅烧的温度为600~700℃，煅烧的时间为1.5~2.5小时。相对于现有技术，本专利技术的优点如下：1.采用氧化石墨烯、GeO2粉末为原料，采用聚丙烯腈、DMF溶液分别为聚合物和溶剂，用静电纺丝法制备了具有纳米电缆结构的石墨烯/无定型碳@GeO2复合材料，其中，复合材料中无定型碳源自于煅烧过程中聚丙烯腈的裂解，电缆结构是利用石墨烯与聚丙烯腈电导率的不同，在电场作用下形成的；2.本专利技术的复合材料为一维纳米电缆结构，直径200~500nm，长度80~1000μm；3.本专利技术作为锂离子电池负极材料，在1000mA/g的高电流密度下，首次可逆容量可达500~800mAh/g，经100次循环，容量保持率为60%~75%，表现出较高的充放电容量和良好的循环性能。附图说明图1是本专利技术实施例2的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料的X射线衍射图谱。图2是本专利技术实施例2的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料的扫描电子显微镜图。图3是本专利技术实施例2的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料的透射电子显微镜图。图4是本专利技术实施例2的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料在1000mA/g的电流密度下的充放电曲线。具体实施方式实施例1一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料，所述复合材料为一维纳米电缆结构，石墨烯为“电缆”芯，无定型碳为“电缆”外壳，GeO2纳米颗粒均匀地分布于纳米电缆结构的“电缆”芯中和“电缆”外壳中，此处是指GeO2纳米颗粒与石墨烯均匀分布形成“电缆”芯，GeO2纳米颗粒与无定型碳均匀分布形成“电缆”外壳。所述一维纳米电缆的直径200~500nm，长度80~1000μm。所述复合材料包括以下比例的原料：聚丙烯腈：氧化石墨烯：GeO2的质量比为（4~10）：1：（1~3）。所述复合材料的原料还包括溶剂DMF溶液。本专利技术还提供了一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@GeO2复合材料的制备方法，由以下步骤组成：（1）首先将聚丙烯腈完全溶解于DMF溶液，随后添加氧化石墨烯粉末以及二氧化锗粉末，搅拌将溶液混合均匀，然后超声以保证完全溶解，得到混合液；DMF溶液的加入量为5~7g。（2）将上述配置好的混合液加入到静电纺丝装置中，在一定电压范围内静电纺丝，得到纺丝产品，纺丝产品为白色丝絮状产品，可从铝箔基底揭下，呈现片状整体结构；（3）将上述纺丝产品置于管式炉中，在氩气气氛下进行高温煅烧，即得纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料。所述步骤（1）中聚丙烯腈：氧化石墨烯：GeO2的质量比为（4~10）：1：（1~3）。所述步骤（1）中搅拌的时间为8~12小时，超声时间为0.7~1.3小时。所述步骤（2）中电压范围为18~23KV。所述步骤（3）中高温煅烧的温度为600~700℃，煅烧的时间为1.5~2.5小时。对所得的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料进行XRD衍射、扫描电镜、透射电镜的测试。本专利技术的材料可用于锂离子电池负电极的材料，也可以用于其他领域。用于锂离子电池负电极的材料时，锂离子电池负电极的制备方法如下：将所得的片状复合材料裁成圆片，圆片直径16mm，以金属锂片为对电极，即参比电极，cellguard2400为隔膜，1MLiPF4的EC/DMC溶液为电解液，在真空手套箱中组装成2032型纽扣电池。使用武汉蓝电生产的LandBT2013A型充放电仪对电池进行充放电性能测试。实施例2一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料，所述复合材料为一维纳米电缆结构，石墨烯为“电缆”芯，无定型碳为“电缆”外壳，GeO2纳米颗粒均匀地分布于纳米电缆结构的“电缆”芯中和“电缆”外壳中。所述复合材料包括以下比例的原料：聚丙烯腈：氧化石墨烯：二氧化锗质量比为4：1：1。所述复合材料的原料还包括溶剂DMF溶液。上述纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@GeO2复合材料的制备方法，由以下步骤组成：（1）首先将0.4g聚丙烯腈完全溶解于6.000gDMF溶液，随后添加0.1g氧化石墨烯粉末以及0.1g二氧化锗粉末，搅拌10小时将溶液混合均匀，然后超声1小时以保证完全溶解，得到混合液；（2）将上述配置好的混合液加入到静电纺丝装置中，在18KV电压条件下静电纺丝，得到纺丝产品，纺丝产品为白色丝絮状产品；（3）将上述纺丝产品置于管式炉中，在氩气气氛下650℃进行煅烧2小时，即得纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料。对所得的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料进行XRD衍射、扫描电镜、透射电镜的测试，分别如图1、图2、图3所示。从图1X射线衍射可以看出，所制得的复合材料的主晶相为二氧化锗，对应JCPDS卡片编号（36-1463）。这是因为石墨烯衍射峰较弱，二氧化锗结晶度好，衍射峰强度高。从图2可看出，所得复合材料直径为200~300nm，长度为100~700µm，扫描电镜图无明显二氧化锗颗粒，意味着二氧化锗在纤维内部结构中。图3透射电镜图表明，复合材料为纳米电缆型结构，石墨烯为芯，无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料，其特征在于：所述复合材料为一维纳米电缆结构，石墨烯为“电缆”芯，无定型碳为“电缆”外壳，GeO2纳米颗粒均匀地分布于纳米电缆结构的“电缆”芯中和“电缆”外壳中。

【技术特征摘要】
1.一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料，其特征在于：所述复合材料为一维纳米电缆结构，石墨烯为“电缆”芯，无定型碳为“电缆”外壳，GeO2纳米颗粒均匀地分布于纳米电缆结构的“电缆”芯中和“电缆”外壳中。2.如权利要求1所述的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料，其特征在于：所述一维纳米电缆的直径200~500nm，长度80~1000μm。3.如权利要求1所述的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下比例的原料：聚丙烯腈：氧化石墨烯：GeO2的质量比为（4~10）：1：（1~3）。4.如权利要求3所述的纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料，其特征在于：所述复合材料的原料还包括溶剂DMF溶液。5.一种纳米电缆结构石墨烯/无定型碳@二氧化锗复合材料的制备方法，其特征在于：由以下步骤组成：（1）首先将聚丙烯腈完全溶解于DMF溶液，随后添加氧化石墨烯粉末以及二氧化锗粉末，搅拌将溶液混合均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏伟，贾方方，付坤，厉玲玲，王科峰，张存良，梁磊，
申请(专利权)人：商丘师范学院，
类型：发明
国别省市：河南,41