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电极材料在高性能电池的研发方面起着至关重要的作用。石墨通常作为锂离子电池负极材料,但是石墨的理论容量较低(372 mAh/g),难以满足高性能锂离子电池电极材料的需求。而锗基材料具有理论容量高(金属Ge:1600 mAh/g,GeO2:1125 mAh/g)、工作电压低和Li+扩散速率快等优点,可作为锂离子电池(LIBs)/钠离子电池(NIBs)高性能负极材料。同其他合金型负极材料类似,锗基材料具有体积变化大(体积变化约300%)和导电率低的缺点,导致电池的容量衰退快、倍率性能差,难以实际应用。本文以提高锗基电极材料的性能为出发点,制备了不同结构的低维锗基纳米复合材料,研究了它们的电化学反应机理和其结构对电化学性能的影响。首先采用静电纺丝法合成GeO2纳米电缆;同时也通过该方法合成了 GeO2-Graphene纳米纤维;用聚离子液体分散法合成了 Ge量子点-C复合材料(Ge-QD@C);用聚离子液体模板法制备出GeO2纳米颗粒-C复合材料(GeO2 NPs-C)。采用XRD、XPS、SEM、TEM、Raman、TG、BET等表征手段对合成的锗基纳米复合材料进行表征,同时通过循环伏安、阻抗、循环性能和倍率性能的电化学测试,考察了电极材料的导电性能、循环稳定性能等。采用静电纺丝法制备出一种无定形碳和石墨烯构成的纳米电缆结构,其中无定形碳充当“壳”,石墨烯充当“核”,并且GeO2纳米颗粒被封装在石墨烯和无定形碳形成的纳米电缆中(即GeO2纳米电缆)。石墨烯“核”保证了良好的导电性,而非晶碳“壳”保证了锂离子的快速扩散。GeO2纳米电缆电极材料用作LIBs负极材料时,具有高可逆容量(900 mAh/g),高容量保持率(100次循环后为91%)和良好的倍率性能(在5000 mA/g时为595 mAh/g)等优点。采用静电纺丝法,成功制备出非晶态GeO2-Graphene纳米纤维,该纤维的直径为200 nm左右。纳米纤维上的介孔结构有助于减轻电极材料的体积膨胀并改善储Li+性能,并且由于石墨烯的加入增强了电极材料的导电性。将该电极材料用作LIBs负极材料时,具有较高的比容量(1118.2 mAh/g)、较好的容量保持率(73.8%)和优异的倍率性能(在0.5 A/g下,容量为688.5 mAh/g)。采用聚离子液体分散法,合成了 Ge量子点-C复合材料(Ge-QD@C)。Ge量子点均匀地分布在无定形碳内部。Ge-QD@C复合材料作为LIBs负极材料时,显示出高的可逆容量(循环了 90圈后的充电容量为1025 mAh/g)和良好的容量保持率(循环100圈之后的容量保持率为66.1%)。Ge-QD@C复合材料作为NIBs负极材料时,在电流密度为200 mA/g时,循环100圈后的充电容量873.7 mAh/g,对应的容量保持率为93.4%。通过聚离子液体模板法,制备出一种呈现莲花状且分散于聚离子液体内部的二氧化锗纳米颗粒,煅烧后得GeO2纳米颗粒-C复合材料(简称:GeO2NPs-C)。作为锂/钠离子电池负极材料时,表现出较高的可逆比容量(LIBs的初始可逆容量为 1711.7 mAh/g,NIBs 为 912.4 mAh/g),优异的容量保持率(LIBs 为 42%,NIBs为92.6%)、良好的循环稳定性和优异的倍率性能(LIBs:在1A/g下为837.6 mAh/g,NIBs:在 2A/g 下为 703.3 mAh/g)。