[發明專利]一種鍺鎵納米線及其原位生長方法

有效

• 申請號: 201810124315.5
• 申請日: 2018-02-07
• 公開（公告）號: CN108315770B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 孟祥東;于兆亮;王多;李海波;孫萌;尹默;袁夢
• 申請（專利權）人: 吉林師范大學
• 主分類號: C25C5/02
• 分類號: C25C5/02;B22F1/00;H01M4/38;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉奇

本發明提供了一種鍺鎵納米線的原位生長方法，包括以下步驟：在水氧含量低于2ppm的環境中，將GaCl₃、GeCl₄和離子液體混合，得到電解液；采用包括工作電極、對電極和參比電極的三電極電化學體系將所述電解液在55～65℃、?1.4～?1.6V的條件下恒壓電沉積鎵，在所述工作電極的表面得到鎵納米球；繼續在55～65℃、?2～?2.3V的條件下恒壓電沉積生長鍺，在所述工作電極的表面原位生長鍺鎵納米線。本發明提供的鍺鎵納米線能改善純鍺陽極的電池循環性能與倍率性能；且本發明提供的原位生長方法操作簡單、成本低。

技術領域

本發明涉及納米線制備技術領域，尤其涉及一種鍺鎵納米線及其原位生長方法。

背景技術

鋰離子電池因其循環壽命長、自放電率低、工作電壓高的優點已成為便攜式設備和工業儲能系統中最重要的能源。然而，約150Wh/kg的低能量密度對滿足未來移動設備的需求是一個挑戰。由于石墨陽極只有372mAh/g的低可逆容量，利用硅、鍺、錫和銻等材料替代石墨來開發高容量的鋰合金陽極已經成為世界范圍內的一大熱點。其中，硅和鍺因其理論容量分別高達4200mAh/g和1600mAh/g而成為很有發展前景的材料。但是硅和鍺作為電極材料的共同缺點是在鋰插入和脫嵌過程中體積膨脹很大(Si：400％，Ge：370％)，這在循環過程中會導致電極材料的粉碎和開裂。

為了克服這一困難，人們已經進行了大量的研究來設計能夠緩沖體積變化的材料，如納米顆粒、納米線、納米管和三維納米結構。在所有的納米材料中，納米線不僅有效的減少了體積應變，而且在與電解質接觸時具有較高的界面面積，并為沿長度方向的電子傳輸提供了有效的通道。因此，鍺納米線受到廣泛關注。雖然鍺的理論容量低于硅，但是鍺有一些很有前景的特性，例如，高導電率(比硅高出10000倍)和優良的鋰離子擴散系數(室溫下比硅高出400倍以上)，這使鍺成為很有前景的高性能鋰離子陽極材料。

生長鍺納米線的傳統方法是氣-液-固(VLS)或固-液-液(SLS)方法。雖然這兩種方法能有效的合成鍺納米線，但是也有一些固有的缺點，例如對于高溫或者是對于低壓的要求；此外，這兩種方法通常使用精煉和昂貴的有毒半導體前驅體。電化學液-液-固(EC LLS)方法是一種直接從水溶液中電沉積鍺納米線的新方法，使用液態金屬納米液滴作為超微電極和晶體生長的種子。然而，在水溶液中電沉積鍺納米線也有一些缺點，如很難處理的析氫反應可能會導致氫脆、需要類似氰化物的絡合劑。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種鍺鎵納米線及其原位生長方法，本發明提供的鍺鎵納米線能改善純鍺陽極的電池循環性能與倍率性能；且本發明提供的原位生長方法操作簡單、成本低。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種鍺鎵納米線的原位生長方法，包括以下步驟：

在水氧含量低于2ppm的環境中，將GaCl₃、GeCl₄和離子液體混合，得到電解液；

采用包括工作電極、對電極和參比電極的三電極電化學體系將所述電解液在55～65℃、-1.4～-1.6V的條件下恒壓電沉積鎵，在所述工作電極的表面得到鎵納米球；繼續在55～65℃、-2～-2.3V的條件下恒壓電沉積生長鍺，在所述工作電極的表面原位生長鍺鎵納米線。

優選的，所述離子液體包括1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰)亞胺鹽、1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰)亞胺鹽或N-丁基-N-甲基哌啶雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鹽。

優選的，所述電解液中GaCl₃的濃度為0.09～0.11mol/L；GeCl₄的濃度為0.09～0.11mol/L。

優選的，所述工作電極為ITO基片或銅基片，所述參比電極為銀絲，所述對電極為鉑片。