電極材料在高性能電池的研發(fā)方面起著至關(guān)重要的作用。石墨通常作為鋰離子電池負(fù)極材料,但是石墨的理論容量較低（372 mAh/g）,難以滿足高性能鋰離子電池電極材料的需求。而鍺基材料具有理論容量高（金屬Ge:1600 mAh/g,GeO2:1125 mAh/g）、工作電壓低和Li+擴(kuò)散速率快等優(yōu)點(diǎn),可作為鋰離子電池（LIBs）/鈉離子電池（NIBs）高性能負(fù)極材料。同其他合金型負(fù)極材料類似,鍺基材料具有體積變化大（體積變化約300%）和導(dǎo)電率低的缺點(diǎn),導(dǎo)致電池的容量衰退快、倍率性能差,難以實(shí)際應(yīng)用。本文以提高鍺基電極材料的性能為出發(fā)點(diǎn),制備了不同結(jié)構(gòu)的低維鍺基納米復(fù)合材料,研究了它們的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和其結(jié)構(gòu)對電化學(xué)性能的影響。首先采用靜電紡絲法合成GeO2納米電纜;同時(shí)也通過該方法合成了 GeO2-Graphene納米纖維;用聚離子液體分散法合成了 Ge量子點(diǎn)-C復(fù)合材料（Ge-QD@C）;用聚離子液體模板法制備出GeO2納米顆粒-C復(fù)合材料（GeO2 NPs-C）。采用XRD、XPS、SEM、TEM、Raman、TG、BET等表征手段對合成的鍺基納米復(fù)合材料進(jìn)行表征,同時(shí)通過循環(huán)伏安、阻... 

【文章來源】：西安建筑科技大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

（a）LIBs的工作原理示意圖[17]；（b）NIBs的工作原理示意圖[18]

第1章緒論51.4鍺基負(fù)極材料1.4.1金屬鍺及其復(fù)合材料鍺是一種堅(jiān)硬的灰白色金屬，具有誘人的金屬光澤。在巖漿結(jié)晶過程中，鍺可以代替硅或鋁礦物晶格，在硅酸鹽巖石中不均勻散布[37]。鍺具有高容量（1600mAh/g，對應(yīng)于Li15Ge4），優(yōu)異的鋰離子擴(kuò)散性（比Si快400倍）和高導(dǎo)電率（比Si高104倍）[38]，已被認(rèn)為是最有希望的高性能電化學(xué)儲能器件的候選電極材料之一。國內(nèi)外很多學(xué)者對其開展了廣泛的研究，下面介紹幾個(gè)典型例子。LIU等首次報(bào)道了借助離子液體1-乙基-3-甲基咪唑雙亞胺（[Emim]Tf2N）電沉積制備的鍺納米管陣列（合成過程如圖1.2），將其用作鋰離子電池負(fù)極材料并研究其鋰儲存機(jī)制。電極材料在電流密度為0.2C時(shí)，初始充放電容量分別為1260mAh/g和1641mAh/g。在250次循環(huán)后，容量保持率相對于第50次循環(huán)的為98%，制備的Ge納米管（GeNT）表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。通過模板輔助恒溫電沉積在室溫下首次制備的GeNT陣列負(fù)極材料，與目前已有的GeNT負(fù)極相比，顯示出顯著的循環(huán)能力。離子液體電沉積制備的GeNT陣列具有優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于非晶相的形成、中空管狀結(jié)構(gòu)、及電極材料與集電器更好的電接觸[39]。圖1.2合成Ge納米管的示意圖[39]Fig1.2SchematicdiagramofsynthesisofGenanotubes[39]YAO等通過有序中孔碳（OMC）作為基質(zhì)材料和四乙氧基鍺（TEOG）作為鍺源，合成了中孔Ge/C納米復(fù)合材料（Ge@OMC）。Ge@OMC電極的初始充放

西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6電容量分別為891和3068mAh/g[40]。LIU等通過在Ar/H2氣氛中分別對有機(jī)-無機(jī)雜化GeOx/乙二胺（GeOx/EDA）納米線進(jìn)行熱解合成了均勻的碳包覆的Ge納米線結(jié)構(gòu)（如圖1.3）。該Ge/C納米線在0.01至1.5V的電壓范圍內(nèi)，循環(huán)50次后，仍能保持1200mAh/g的可逆容量，并且?guī)靵鲂试诘诙窝h(huán)之后保持在90％左右。改進(jìn)的均勻碳包覆的鍺納米線（0D-in-1D）形態(tài)，可有效地緩解循環(huán)期間Ge的巨大體積變化，并保持電極良好的電導(dǎo)率，且具有優(yōu)異的Li儲存性能，與中孔Ge/C納米復(fù)合材料相比[40]，循環(huán)性能得到了顯著提升[41]。圖1.3Ge/C納米線的合成過程[41]Fig1.3SynthesisprocessofGe/Cnanowires[41]Liu等制備了一種新型的Ge/GeO2-還原氧化石墨烯（GGRGO）微球，通過使用硼氫化鈉作為還原劑的一步重組，然后在還原氣氛中進(jìn)行煅燒（合成過程如圖1.4）。在重組過程中，還原的氧化石墨烯涂覆的GeO2納米顆粒通過自組裝，形成三維Ge殼/GeO2核的立方結(jié)構(gòu)。RGO涂層結(jié)構(gòu)可以減輕體積膨脹，提供大的反應(yīng)區(qū)域并減少鋰擴(kuò)散的距離。同時(shí)，兩相Ge/GeO2復(fù)合納米結(jié)構(gòu)可有效提高電池的比容量。主要是因?yàn)槠洫?dú)特的三維結(jié)構(gòu)，Ge/GeO2-RGO復(fù)合材料具有較高的可逆容量（在電流密度下為100mA/g時(shí)的首次充電容量為1005mAh/g）和優(yōu)異的倍率性能（在電流密度為1.0A/g和2.0A/g是電池容量仍為1179和927mAh/g）[42]。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：2937011