Angew：Ge /C原子尺度杂化负极材料：具有高循环稳定性的新型微纳米梯度多孔结构

Nanoyu

2021-03-02

得益于高能量/功率密度，锂离子电池被广泛用于各种移动电气设备。但是，随着便携式电子产品和电动汽车的快速发展，人们对锂离子电池的循环寿命，能量/功率密度提出了更高的要求。固体电解质界面（SEI）的连续增长和材料破碎是阻碍Ge负极在锂离子电池中应用的根本原因。采用常规的碳涂层改性方法对于解决在充放电循环期间的Ge形变破碎具有一定的挑战。由于碳的化学稳定性和高熔点（3500 ℃），在原子尺度上进行Ge/C杂化同样具有挑战性。

近日，基于CO₂和Mg₂Ge的反应，四川大学郭孝东教授，吴振国副研究员报道了一种原子级杂化Ge-carbon电极材料的合成策略。

文章

1）将Ge粉和Mg粉充分混合，并在氩气（Ar）保护下的管式炉中于600 °C加热10 h以形成Mg₂Ge合金。将温度升至630 ℃，然后引入CO₂气体，CO₂与Mg₂Ge合金反应生成Ge，MgO和碳。将热处理后获得的材料为MN-GP-Ge/C/MgO。最后，用盐酸蚀刻MN-GPGe/C/MgO，然后离心，在50 ℃下真空干燥5 h，即获得MN-GP-Ge/C。

2）MN-GP-Ge/C独特的3D碳网络和微纳米梯度多孔结构提高了锂离子的传输效率，增强了抗应力变化的能力，并为体积膨胀提供了足够的空间。Ge被分成纳米颗粒（<10 nm）并均匀分布在碳纳米网上。

3）由于其独特的结构，MN-GP-Ge/C在低温下表现出优异的电化学性能。1000次放电/充电循环（2 A g^-1（2-71次），4 A g^-1（72-1000次））后，容量保持率为84%，可逆容量仍达到1127mAh g^-1。在-20、-10和0 ℃的低温下，0.5 A g^-1下的可逆容量分别为676 mAh g^-1、972 mAh g^-1和1151 mAh g^-1。

4）测试表征结果表明，具有微纳梯度多孔结构的Ge/C原子尺度杂化材料可以有效地克服Ge负极的体积膨胀导致的材料失效。

这项研究为解决电极材料的体变形破坏问题提供了一种新思路。

参考文献

Zhiwei Yang, et al, Ge/Carbon Atomic-Scale Hybrid Anode Material: A New-Type Micro-Nano Gradient Porous Structure with High Cycling Stability, Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202102048

https://doi.org/10.1002/anie.202102048