[發明專利]一種氮化鍺納米材料、其制備方法及鋰離子電池負極材料

在審

• 申請號: 202011597864.8
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112591719A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 王嚴杰;孫長龍;崔立峰;古皓;佘煜
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: C01B21/06
• 分類號: C01B21/06;H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 廣東恩典律師事務所 44549
• 代理人: 張紹波

一種氮化鍺納米材料、其制備方法及鋰離子電池負極材料，其中制備方法包括將鍺鹽溶液和氧化石墨烯分散液混合均勻，得到前驅物，在氨氣氣氛及真空條件下高溫氮化前驅物后，通入空氣高溫煅燒，得到氮化鍺納米材料。以氧化石墨烯為模板制備具有二維片狀結構的Ge₃N₄，該結構有利于鋰離子和電子的快速轉移，且可抑制電極與電解液之間的副反應，起到提高Ge₃N₄倍率性能和循環性能的作用；同時該方法操作簡便，可重復性高，有利于提高量化生產的生產效率。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其是一種氮化鍺納米材料、其制備方法及鋰離子電池負極材料。

背景技術

為應對電動汽車和大規模儲能系統對能源存儲的重大需求，大幅度提高能量密度成為新型鋰離子電池（LIB）發展的關鍵。目前，氮化鍺（Ge₃N₄）作為具有高硬度和介電特性的功能材料受到了廣泛關注。塊體Ge₃N₄具有可逆的電化學活性，七十圈循環后循環容量可達500 mAh g^?1，庫倫效率保持在80%左右。此外，充放電過程中，其相對較低的放電電位（0-0.5V）適合與全電池正極匹配。

然而，塊體Ge₃N₄在電化學充放電過程中，僅由構成塊體Ge₃N₄的表層部分參與鋰化反應（約占塊體Ge₃N₄體積的40%），而塊體Ge₃N₄內層未參與反應部分的體積約為60%。此外，大電流密度下進行工作時，差的倍率性能使得鋰離子只能夠在Ge₃N₄電極的表面進行電荷轉移，而不能進入電極材料內部，導致容量衰減和安全隱患。更重要的是，僅發生在Ge₃N₄表面的電荷轉移還導致Ge₃N₄電極材料利用率低的問題。

發明內容

為解決上述問題，本申請提供一種氮化鍺納米材料、其制備方法及鋰離子電池負極材料，其中，上述制備方法可控、操作簡便，并有利于提高氮化鍺納米材料的倍率性能和循環性能。

一方面，本申請的一實施例中提供一種氮化鍺納米材料的制備方法，包括：將鍺鹽溶液和氧化石墨烯分散液混合均勻，得到前驅物，在氨氣氣氛及真空條件下高溫氮化前驅物后，通入空氣高溫煅燒，得到氮化鍺納米材料。

優選地，鍺鹽溶液濃度為0.2~1.0 mol/L。

進一步地，該制備方法的具體步驟包括：

S1、將氧化鍺與酸溶液在預定溫度下混合，得到鍺鹽溶液；

S2、取氧化石墨烯溶于溶劑中，得到氧化石墨烯分散液；

S3、往氧化石墨烯分散液中滴加鍺鹽溶液，得到混合溶液；

S4、將堿溶液滴加到混合溶液中至混合溶液呈中性，得到前驅物；

S5、冷凍干燥前驅物；

S6、將前驅物在真空條件下加熱至預定溫度，通入氨氣并保溫，進行氮化反應；

S7、在空氣氣氛中高溫煅燒S6得到的產物，得到氮化鍺納米材料；

S1和S2無順序限制。

進一步地，該制備方法的具體步驟包括：

S1、將酸溶液滴加至氧化鍺中，在小于或等于90℃的條件下攪拌均勻，得到鍺鹽溶液；

S2、取氧化石墨烯溶于水中，得到氧化石墨烯分散液；

S3、往氧化石墨烯分散液中滴加鍺鹽溶液，得到混合溶液；

S4、將堿溶液滴加到混合溶液中至混合溶液呈中性，并攪拌均勻，得到前驅物；

S5、冷凍干燥前驅物；