南方科大赵天寿院士，重磅AEM：能量密度达1760.1 Wh/L，循环寿命超5000次！

第一作者：Meisheng Han

通讯作者：赵天寿

通讯单位：南方科技大学

赵天寿，中国科学院院士、能源科学与工程热物理专家。1983年毕业于天津大学热物理工程系，1986年获该校硕士学位，1995年获得美国夏威夷大学博士学位。现任南方科技大学讲席教授、美国机械工程师学会(ASME) Fellow、英国皇家化学学会(RSC) Fellow、曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。入选Clarivate/Thomson Reuters 全球高被引科学家和最有影响力科学思想名录。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。

论文速览

锗（Ge）阳极因其较高的理论体积容量（8646 mAh cm⁻³）而在锂离子电池中受到广泛关注。然而，巨大的体积膨胀（≈230%）导致其较差的电化学性能。文献中报道的解决该问题的策略通常导致低堆积密度，降低了体积容量。

本研究提出了一种通过高压诱导方法制备致密的锗(Ge)基负极材料，用于锂离子电池。

该材料为被坚固TiO₂和高导电碳层包裹的纳米尺寸Ge（约15纳米），展现出低应力-应变特性、低体积膨胀、高电子导电性（463.2 S m⁻¹）、高锂离子扩散系数（9.55 × 10⁻⁹–8.51 × 10⁻¹²cm² s⁻¹）和高压实密度（1.79 g cm⁻³）。这种致密结构在0.1 A g⁻¹时实现了3559.8 mAh cm⁻³的出色体积容量，在20 A g⁻¹时为2628.2 mAh cm⁻³，并在10 A g⁻¹下拥有超过5000个循环的优异循环寿命。

此外，全电池展示了高达1760.1 Wh L⁻¹的高体积能量密度，以及卓越的快充性能和长循环寿命。这项工作为设计高体积容量的合金基锂离子电池负极提供了新的合成策略和深入见解。

图文导读

图1：样品合成示意图及相应的SEM图像。

图2：XRD、Raman、XPS分析：通过XRD确认了样品的晶体结构，Raman光谱显示了碳材料的存在，XPS分析揭示了Ge、TiO₂和C的化学状态。

图3：电化学性能测试。

图4：不同电流密度下的循环测试，证明了TiO₂/Ge/C-HP电极的长期稳定性和结构完整性。

总结展望

本研究成功开发了一种新型的高压诱导致密Ge基负极材料，该材料在保持高体积容量的同时，还具有出色的循环稳定性和快充性能。通过使用高密度TiO₂和高导电碳的双重封装，有效缓解了Ge在锂化过程中的体积膨胀，提高了结构稳定性。

此外，该材料的高压实密度和低体积膨胀特性使其在实际应用中具有巨大的潜力。未来的工作将进一步优化制备工艺，降低成本，并探索该材料在其他类型电池中的应用。

文献信息

标题：Pressure-Induced Dense and Robust Ge Architecture for Superior Volumetric Lithium Storage

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202401065

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南方科大赵天寿院士，重磅AEM：能量密度达1760.1 Wh/L，循环寿命超5000次！

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