原位一步法合成新型锂电负极材料--GeO2/石墨烯纳米复合物

锂离子电池是当今最先进的电化学储能设备之一,它具有广泛的应用范围,包括便携式用电设备,电动汽车,混合动力汽车以及大型发电站。由于电极材料是锂离子电池性能的一个决定因素,因此,全世界范围内都在投入大量的人力物力来发展新型锂离子电池材料以满足市场的持续高速需求。

最近,Ge负极材料以它较高的容量,较高的锂离子扩散系数,较好的电子导电性,较低的对锂电位以及丰富的地壳蕴藏量等优势引起了人们的关注。但是其繁琐的合成方法以及较差的稳定性限制了其进一步的发展和商业应用。虽然GeO2目前受到的关注程度相对低了些,可它具有较之Ge更好的稳定性以及更简便的合成方法,这些特点决定了其潜在的应用价值。可是,与众多合金型负极材料类似,在充放电过程中,锂离子的嵌入与脱出会引起GeO2颗粒剧烈的体积变化,这种剧烈的体积变化可导致GeO2负极材料丧失与集流体的电接触,导致其容量快速下降。针对这一问题,北京航空航天大学郭林教授课题组进行了深入细致的研究,显著地提高了GeO2负极材料的循环稳定性以及高倍率性能

为了提高GeO2的电化学性能,特别是循环稳定性,在其颗粒表面添加或包覆一些具有良好电子导电性的缓冲材料是一种有效方法。在这些材料当中,石墨烯吸引了人们大量的关注,这是由于它具有许多诱人的特性,比如,巨大的比表面积,极佳的导电性能以及柔韧性。为此,该团队首次以氧化石墨烯(GO)溶液也Ge4+溶液为原材料,使用一步原位化学法合成了GeO2与石墨烯(GNs)的复合材料。所合成的GeO2/GNs复合材料没有团聚现象,GeO2颗粒均匀分布的包裹或附着在石墨烯二维结构表面。这种复合结构既能保证每个GeO2纳米颗粒良好的电子导电性,又能有效的缓冲在充放电过程中锂离子进出而引起的体积变化。 因此,作为锂离子电池负极材料,GeO2/GNs表现出极高的可逆容量(1110.6 mAh/g),良好的循环性能(50次循环后容量保持率高达90%),以及优异的高倍率性能(在3A/g的电流密度下容量~ 540 mAh/g)。这种方法也可作为一种普适的方法来合成其他的高性能氧化物负极材料。

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

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