负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电池材料技术领域。本发明专利技术首先公开了GeS2@合金@C负极材料，包括内外两层结构，内层为复合碳的合金材料，外层为GeS2。其次，公开上述负极材料的制备方法，先得到合金有机框架材料，然后高温裂解合金有机框架材料得到复合碳的合金材料，再在复合碳的合金材料表面复合GeS2层。本发明专利技术提供的负极材料组装得到的电池的循环性能和倍率性能更加优异。到的电池的循环性能和倍率性能更加优异。到的电池的循环性能和倍率性能更加优异。

【技术实现步骤摘要】
负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池材料
，具体涉及二次电池的负极及其制备方法。

技术介绍

[0002]碱离子电池因具有能量密度高、循环寿命长且无记忆效应等优点而被认为是最理想的储能元件。负极是碱离子电池的关键部件之一。二次电池的负极材料主要有碳类负极、合金类负极、过渡金属氧化物/硫族化物等几种。碳类负极的导电性较好但容量较低；合金类负极材料的存储容量较高，电压平台也较高，但是体积变化较大，循环性能较差；过渡金属化合物具有种类多样、电化学容量优异等优势，但有严重的电压滞后现象。科研工作者也一直致力于研究循环性能和倍率性能优异的负极材料。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供优异的长循环性能和倍率性能的负极材料GeS2@合金@C负极材料及其制备方法和应用。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供以下具体的技术方案。
[0005]一种GeS2@合金@C负极材料，包括内外两层结构，内层为复合碳的合金材料，外层为GeS2。
[0006]在进一步的优选方案中，所述GeS2和复合碳的合金材料的摩尔比为3~10：100。
[0007]在进一步的优选方案中，所述合金材料由Sb、Sn、Bi、Zn中的至少两种组成。
[0008]在进一步的优选方案中，所述复合碳的合金材料中碳的质量百分比为5
‑
8%。
[0009]基于同样的专利技术构思，本专利技术提供上述GeS2@合金@C负极材料的制备方法，包括以下步骤：将Sb、Sn、Bi、Zn中的至少两种金属的可溶性盐、有机络合剂溶于去离子水或有机溶剂中，进行水热反应或溶剂热反应；反应结束后洗涤产物，得到合金有机框架材料；高温裂解合金有机框架材料，得到复合碳的合金材料；在煅烧炉中通入氮气或惰性气体排空空气，然后将复合碳的合金材料放在煅烧炉的下风口处、将GeS2放在煅烧炉的上风口处，煅烧，得到GeS2@合金@C负极材料。
[0010]在进一步的优选方案中，所述可溶性盐为硫酸盐、硝酸盐、乙酸盐、氯化盐中的至少一种。
[0011]在进一步的优选方案中，所述有机络合剂为反丁烯二酸、2
‑
甲基咪唑、均苯三甲酸、间苯二甲酸、谷氨酸中的至少一种。
[0012]在进一步的优选方案中，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、丙酮、N,N
‑
二甲基甲酰胺中的至少一种。
[0013]在进一步的优选方案中，所述至少两种金属的可溶性盐与有机络合剂的摩尔比为1：5~10。
[0014]在进一步的优选方案中，所述至少两种金属的可溶性盐和有机络合剂在去离子水
或有机溶剂中的总浓度为0.1~2mol/L。
[0015]在进一步的优选方案中，所述水热反应或溶剂热反应的温度为120~180℃，水热反应或溶剂热反应的时间为10~20h。
[0016]在进一步的优选方案中，所述高温裂解的气氛为氩气或氮气气氛；所述高温裂解的温度为500~700℃，时间为2~5h。
[0017]在进一步的优选方案中，所述煅烧温度为700~800℃，煅烧时间为1~2h。
[0018]此外，本专利技术提供一种电池，包括上述负极材料。
[0019]本专利技术具有以下明显的有益效果：本专利技术通过在复合碳的合金材料表面升华复合GeS2，得到的负极材料组装得到的电池的循环性能和倍率性能更加优异。
[0020]本专利技术巧妙的在煅烧炉的上下气流位置分别放置GeS2和复合碳的合金材料，可充分利用现有设备实现本专利技术的目的，大大缓解了新工艺对设备的压力。
[0021]本专利技术的制备方法工艺简单、可靠、重复性高，且能耗低。
[0022]本专利技术将碳、合金、GeS2巧妙的复合在一起，为碱金属电池负极材料的创新和开发开拓了新思路。
附图说明
[0023]图1为实施例1制备得到的GeS2@SbBi@C负极材料的SEM图。
具体实施方式
[0024]本专利技术提供一种优异的长循环性能和倍率性能的负极材料GeS2@合金@C及其制备方法和应用。
[0025]首先，本专利技术提供一种GeS2@合金@C负极材料，包括内外两层结构，内层为复合碳的合金材料，外层为GeS2。
[0026]GeS2为类单晶材料，具有坚韧且宽阔的离子通道，具有良好的离子导电率，但如果离子传输通道过长容易产生径向应力；金属合金
‑
碳复合材料具有良好的电子导电率，但离子传输相对缓慢；金属合金@C材料与GeS2连接处，能够形成肖特基异质结，从而加速界面处的离子和电子传输。因此，结合以上各材料优势，复合材料能够实现良好的离子/电子传输动力学及结构稳定性，从而表现出良好的电化学性能。
[0027]在选择具体的合金组成时，应当选择本身能够储能的金属。在本专利技术的具体实施方式中，所述合金材料由Sb、Sn、Bi、Zn中的至少两种组成。
[0028]在上述负极材料中，可进一步优化碳在复合碳的合金材料中的含量、以及外层GeS2的含量。GeS2材料在储钾的过程中能够发生转化反应和合金化反应，较纯合金材料具有更高的储能容量；但是，如果GeS2层太厚，材料的电子导电率将弱化，且容易产生径向应力；碳材料虽然具有良好的电子导电率，但是离子导电率不佳，且容量较低。因此，GeS2及碳含量的变化对材料反应动力学、结构稳定性及储能容量影响较大。
[0029]在本专利技术的具体实施方式中，优选所述GeS2和复合碳的合金材料的摩尔比为3~10：100；所述复合碳的合金材料中碳的质量百分比为5
‑
8%。
[0030]其次，本专利技术提供上述GeS2@合金@C负极材料的制备方法，包括以下步骤：
将Sb、Sn、Bi、Zn中的至少两种金属的可溶性盐、有机络合剂溶于去离子水或有机溶剂中，进行水热反应或溶剂热反应；反应结束后洗涤产物，得到合金有机框架材料；高温裂解合金有机框架材料，得到复合碳的合金材料；在煅烧炉中通入氮气或惰性气体排空空气，然后将复合碳的合金材料放在煅烧炉的下风口处、将GeS2放在煅烧炉的上风口处，煅烧，得到GeS2@合金@C负极材料。
[0031]以金属有机框架为前驱体结合高温裂解合成复合碳的合金材料，最后通过GeS2升华复合烧结得到GeS2@合金@C复合材料。将GeS2放置在上风口处，将复合碳的合金材料放置在下风口处，GeS2在上风口处发生高温升华，升华产生的气体通过气流传递到下风口处的复合碳的合金材料，实现GeS2对复合碳的合金材料的有效复合。且复合层厚度可控，元素分布均匀，可有效提升负极材料的结构可逆性和电化学容量。
[0032]1、在水热反应或溶剂热反应合成金属有机框架材料的过程中：对于金属的可溶性盐的类型不做特别规定，只要能在水或有机溶剂中溶解即可。在本专利技术的具体实施方式中，所述可溶性盐为硫酸盐、硝酸盐、乙酸盐、氯化盐中的至少一种。
[0033]有机络合剂的作用是形成络合沉淀物或者絮状物，即为金属有机框架材料。具备上述作用的有机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GeS2@合金@C负极材料，其特征在于，包括内外两层结构，内层为复合碳的合金材料，外层为GeS2；所述合金材料由Sb、Sn、Bi、Zn中的至少两种组成。2.如权利要求1所述的GeS2@合金@C负极材料，其特征在于，所述GeS2和复合碳的合金材料的摩尔比为3~10：100；所述复合碳的合金材料中碳的质量百分比为5
‑
8%。3.如权利要求1或2所述的GeS2@合金@C负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将Sb、Sn、Bi、Zn中的至少两种金属的可溶性盐、有机络合剂溶于去离子水或有机溶剂中，进行水热反应或溶剂热反应；反应结束后洗涤产物，得到合金有机框架材料；高温裂解合金有机框架材料，得到复合碳的合金材料；在煅烧炉中通入氮气或惰性气体排空空气，然后将复合碳的合金材料放在煅烧炉的下风口处、将GeS2放在煅烧炉的上风口处，煅烧，得到GeS2@合金@C负极材料。4.如权利要求3所述的GeS2@合金@C负极材料的制备方法，其特征在于，所述可溶性盐为硫酸盐、硝酸盐、乙酸盐、氯化盐中的至少一种；所述有机络合剂为反丁烯二酸、2

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宝和，程磊，邓鹏，丁瑶，冯建慧，吴斌，
申请(专利权)人：帕瓦长沙新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：