吉林師范李海波Chem. Commun.：鎵原位合金化抑制鍺分形生長制備鎵鍺合金納米彎線及其高鋰離子遷移率

通訊作者：李海波教授、孟祥東教授、李垚教授

通訊單位：吉林師范大學、哈爾濱工業大學

論文DOI: 10.1039/C9CC04408F

背景介紹

鍺基納米材料具有較高的理論比容量(1600 mA h g^-1)及獨特的性質能夠作為鋰離子電池的電極材料。但是金屬鍺在晶化過程中容易自發形成分形結構，在分形網絡邊界處的散射，成為快速鋰離子傳輸的障礙。所以，調控鍺分形結構的生長有利于提升鍺基納米材料的鋰離子遷移率，從而獲得具有高倍率性能的電極材料。

成果簡介

吉林師范大學李海波教授團隊孟祥東教授等人在Chemical Communications上發表了題為“In situ Ga-alloying in germanium nano-twists?by the inhibition of fractal growth with fast?Li⁺-mobility”的最新研究結果。該工作通過調控離子液體電沉積過程中鎵的原位合金化，進而抑制鍺的分形生長，獲得鎵鍺合金納米彎線（nano-twist）；由于其具有高的鋰離子遷移率，為實現電池的快速充放電提供了一種可行方法。此報道中，利用離子液體電沉積法制備的鎵鍺納米彎線具有1730 mA h?g^-1?初始放電比容量，即使經過150圈循環后依然保持約1150 mA h g^-1的比容量，鎵鍺納米彎線還表現出卓越的倍率性能，在16 A g^-1的充放電電流密度下的放電比容量為819 mA h g^-1，其陽極及陰極鋰離子遷移率分別為1.37′10^-9?cm²?s^-1?和9.85′10^-10?cm²?s^-1，遠高于鍺的鋰離子遷移率。

圖文導讀

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圖1離子液體電沉積法制備以鎵納米球為種子抑制分形生長的Ge_0.90Ga_0.10?nano-twist。(a) 鎵納米球，(b) 鎵納米球誘導鍺生長，(c) 鍺的分形生長，(d) 鎵原位合金化抑制分形生長，(e) 形成鎵鍺納米彎線。

圖2?(a) 鎵鍺納米彎線和 (b) 鍺納米樹的PXRD及峰形擬合結果。(c) Ar⁺刻蝕不同時間后鎵鍺納米彎線的元素含量圖，插圖中的表為不同刻蝕時間后鎵在鎵鍺納米彎線中比例。(d) 生長在ITO基片上的鎵鍺納米彎線的FESEM圖像。

圖3?鎵合金化抑制鍺生長原位電化學過程中分形生長的機理。

圖4?(a) 鎵鍺納米彎線在0.32 A g^-1電流密度下的循環表現及庫倫效率圖。(b) 鎵鍺納米彎線第1、2、50、100和150圈的恒流充放電曲線。(c) 倍率性能圖。

圖5?(a) 鎵鍺納米彎線和鍺納米樹循環前的電化學阻抗譜，插圖為低頻區內Z’和w^-1/2的變化關系圖，插圖中的表為基于電化學阻抗計算的鋰離子遷移系數。(b) 鎵鍺納米彎線和 (c) 鍺納米樹在不同掃描速率下的CV曲線。?(d)?鎵鍺納米彎線和鍺納米樹峰電流I_p與掃描速率平方根v^1/2的關系圖。

小結

作者提出了一種原位Ga合金化來抑制Ge分形生長的方法，進而制備Ge_0.90Ga_0.10納米彎線。作者分析了Ga抑制分形生長機理和作為電極的循環穩定性及卓越的倍率性能。利用交流阻抗法和循環伏安法計算了材料的鋰離子遷移率，發現鍺鎵納米彎線具有高的鋰離子傳輸率，適用于鋰電池的快速充放電。本論文報道的鎵合金抑制分形生長的方法不僅限于鍺基材料，還可以開發新型電極材料和能源器件。

文獻鏈接：In situ Ga-alloying in germanium nano-twists by the inhibition of fractal growth with fast Li⁺-mobility (Chemical Communications, 2019, DOI: 10.1039/C9CC04408F)

本文由吉林師范大學李海波教授團隊供稿。

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