三峽大學&中科院半導體所Adv. Funct.Mater.：氮化鎵應用于能源儲存領域

【引言】

作為一種高效的能源儲存設備，鋰離子電池表現出巨大的優勢，然而其能量密度和循環壽命仍需提高。如今，半導體材料被作為鋰離子電池的正極材料廣泛研究。其中，金屬氮化物這種半導體材料具有比硅和過渡金屬氧化物高得多的電子導電率。而且，通過無定型化的方式可以降低氮化鎵的能帶間隙。氮化鎵的使用避免了硅和過渡金屬氧化物出現的低電子傳導性和在嵌鋰及脫鋰過程中出現的體積變化大的問題（可能會導致材料粉碎，團聚等問題）然而，氮化鎵在能源儲存領域的應用卻很少，李晉閩課題組在這方面做出了突破，開始了氮化鎵在能源儲存領域的新應用。

【成果簡介】

近日，三峽大學倪世兵教授，中科院半導體所李晉閩教授，黃鵬（音譯）博士聯合在Advanced Functional Materials上發表了題為“Amorphous GaN@Cu Freestanding Electrode forHigh-Performance Li-Ion Batteries”的文章。課題組采用脈沖激光沉淀（PLD法）的方法制備了一種獨立式的a-GaN@Cu電極，應用于鋰離子電池時，該電極展現了突出的比容量和超長的循環壽命，同時具備高導電性和穩定性。其在0.25A/g和6.25A/g之間進行兩次倍率測試，當重新回到0.25A/g時，a-GaN@Cu電極的放電容量達到509mAh/g。這是a-GaN@Cu首次作為鋰離子電池負極材料，該成果為拓寬氮化鎵在能源儲存設備方面的應用提供了方向。

【圖文導讀】

圖一：PLD法生成GaN@Cu的示意圖

制電極時，首先，使用電化學腐蝕的方法將Cu(OH)₂生長在泡沫銅上，其中石墨作為陰極。隨后，在氫氣氣氛中，Cu(OH)₂還原為Cu，最后即利用PLD方法將a-GaN涂覆在泡沫銅上。

圖二：制備的GaN@Cu的結構表征

（a）SEM圖像顯示a-GaN@Cu棒直徑約150nm，長度1-2μm；

（b）TEM圖像進一步表明a-GaN@Cu是棒與棒交織的結構；

（c）EDS繪圖顯示了a-GaN@Cu的元素分布；

（d）HRTEM圖表明了GaN的無定型形態，Cu{111}晶面的晶晶間距為0.21nm。

圖三：a-GaN@Cu的TEM和XPS表征

（a）SEM圖像；

（b）SAED圖像；

（c）EDS圖像；

（d）和（e）Ga元素3d軌道和N元素1s軌道高分辨率XPS圖像；

（f）充電后的TEM圖像；

（g）充電后的SAED圖像；

（h）充電后EDS圖像。

圖四：a-GaN@Cu電化學性能

（a）最開始的三條CV曲線；

（b）最開始的三條充放電曲線；

（c）倍率性能；

（d）10A/g時長期循環性能。

【小結】

研究組采用PLD法制備新型a-GaN@Cu電極，并將其應用于鋰離子電池。這是氮化鎵第一次應用于能源儲存設備領域。使用它作為鋰離子電池的負極材料后，電池具有了較高的比容量和超長的循環壽命，同時具備了高的電子傳導性和穩定性，避免了硅或過渡金屬氧化物作為正極材料時出現的問題。氮化鎵的生產在半導體工業領域已經成為一項成熟技術，該成果有效拓寬了氮化鎵的應用范圍。

文獻鏈接：Amorphous GaN@Cu Freestanding Electrode for High-Performance Li-Ion Batteries（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201701808 ?）

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