謝毅院士ACS Nano：局域電場助力高性能鋰離子電池

【引言】

從大范圍能源儲存體系至便攜電子器件，鋰離子電池在其中扮演著重要角色，因此提高其功率密度、能量密度和循環壽命是十分必要的。鍺基材料有著高理論比容量、快速鋰離子擴散率和高電導率，十分適用于鋰電陽極。然而，體積膨脹和粒子團聚問題使得其電化學性能不盡人意。

在三元鍺酸鹽中，CuGeO₃擁有獨特的二維層狀結構，能提供體積膨脹所需的緩沖空間，還能使得反應限制在層內形成“微型反應池”提高電化學活性。除此以外，CuGeO₃的晶體結構使得充放電可逆，延長了循環壽命。

另一方面，當二維材料的厚度減少至原子尺度時，由于內在的無機固體發生變化，產生了自適應缺陷。這些缺陷能有效地調節電子結構而無需改變原始晶格，將有利于鋰電池倍率性能。更重要的是，二維納米結構擁有無比的“3S”特性、結構穩定性和高活性表面積，縮短了了鋰存儲的路徑。

【成果簡介】

近日，來自中國科學技術大學的肖翀教授、謝毅教授（中科院院士），以及澳大利亞伍倫貢大學的郭再萍教授（共同通訊作者）在著名期刊ACS Nano上發表題為” Local Electric Field Facilitates High-Performance Li-Ion Batteries”的論文。該文章報道了一種常規液相剝離法制成的二維CuGeO₃超薄納米片(CGOUNs)/石墨烯范德華異質結的鋰電陽極材料。有趣的是，當CuGeO₃的厚度減少至原子尺度時，由于有較多的表面原子輕易離開了二維晶格，產生自適應氧空位。第一性原理計算表明，產生明顯的電子轉移現象，使得電子分布不平衡，在氧空位區域上產生了局域電場。該微型面內局域電場能加快離子/電子的遷移率，提高電極材料的電荷轉換速率。并且，通過把石墨烯作為導電基底和緩沖層，提高了該材料的循環壽命和倍率性能。

【圖文導讀】

圖一：塊狀CuGeO₃電極的原位同步加速X射線粉末衍射圖(SXRPD)。

(a) CuGeO-₃的SXRPD信號反映；

(b) CuGeO₃的晶體結構；

(c) 10°-11°包含(201)峰的SXRPD；

(d) 13°-14.5°包含(011)和(210)峰的SXRPD。

圖二：CGOUNs和CGOUNs石墨烯范德華異質結的微觀結構。

(a) CGOUNs的XRD圖；

(b) CGOUNs的AFM圖;

(c) CGOUNs的HAADF-STEM圖；

(d) CGOUNs/石墨烯的拉曼光譜；

(e) CGOUNs/石墨烯的STEM-HAADF圖；

(f)-(i) CGOUNs/石墨烯的EDS圖。

圖三：電化學性能。

(a) CV圖；

(b) 不同電流密度的CGD圖；

(c) 倍率性能圖；

(d) 與其他納米鍺基陽極倍率特性的比較；

(e) 長時間循環壽命。

圖四：原子尺度的缺陷表征和對應的電子結構計算。

(a) ESR結果；

(b) /(c) V_o^??不同電荷密度；

(d) 氧空位自由CuGeO₃的電荷密度分布；

(e) 不同位點下的氧空位區域1；

(f) 不同位點下的氧空位區域2；

(g) CGOUNs/石墨烯的氧空位；

(h) CGOUNs的氧空位；

(i) 氧空位區域的電荷轉移行為；

(j) 局域電場增強高倍率性能的原理。

【小結】

通過關注高性能鋰電池中鋰離子遷移行為的內在因素，從實驗上得到了限制在CGOUNs/石墨烯范德華異質結的氧空位作為高性能陽極材料。在該體系中，納米片構造的原子厚度提供了充足的活性位點來提升高容量，并釋放結構壓力以此防止結構遭破壞。更重要的是，自適應原子尺度氧空位能引發面內自建電場，加快離子/電子遷移率，提高倍率性能。除此以外，石墨烯基底則作為彈性緩沖層、電子傳輸通道和額外的界面儲鋰來源。收益于該多尺度階梯式策略，CGOUNs/石墨烯在100mA g^-1電流密度下展示了高達1295mAh g^-1的比容量，良好的倍率特性以及長循環壽命。

文獻鏈接：Local Electric Field Facilitates High-Performance Li-Ion Batteries (ACS Nano: 10.1021/acsnano.7b04617)

本文由材料人新能源前線 Jespen 供稿，材料牛整理編輯。

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