【写作竞赛】高导电性Ge/Ti多层薄膜:新型高容量锂离子负极材料

自20世纪90年代索尼公司推出商业化的锂离子电池后,锂离子电池在此后20多年取得了极大的发展。但是,作为锂离子电池最主要的负极材料,石墨具有的理论比容量只有372 mAh/g,成品电池的功率密度只有100-150 Wh/kg, 不能满足下一代高容量高功率电池的需求。因为,寻找新型高容量的负极材料显得迫在眉睫。

Ge具有的理论比容量约为1600 mAh/g (4.3倍于石墨),而且具有非常大的锂离子扩散系数(比Si高两个数量级),是下一代新型高容量锂离子电池的理想材料。但是,Ge的低导电性和循环中由于体积形变产生的应力,导致材料的结构不稳定,这些不足阻碍了Ge的进一步应用。

Oliver G. Schmidt课题组最新报道了一种新型高导电性Ge/Ti 多层薄膜。他们在硅片先旋涂上一层光刻胶,然后采用电子束沉积的方法依次沉积Ge和Ti,最后将样品浸入丙酮,形成多层管状Ge/Ti复合材料。

文中所得多层管状Ge/Ti复合材料,由于Ge与Ge之间有高导电性Ti作为导电通道,极大地提高了复合材料的的导电性(2.38•10-2 S•cm-1),比纯Ge管状材料导电性高两个数量级(1.28•10-4 S•cm-1)。另一方面,由于Ti的存在,Ge/Ti复合材料的结构稳定性得到了很大的提高。在材料导电性和结构稳定性都得到很大提高的情况下,可以预见,Ge/Ti复合材料的充放电循环性能和倍率性能都将得到很大的提高。文中模拟电池测试表明,在充放电一百个循环之后,复合材料的比容量稳定在915 mAh/g,高于同等条件下的纯Ge电极(480 mAh/g)。

以上研究表明这种新型Ge/Ti复合材料作为下一代高容量锂离子电池负极材料的极大前景,相关结果发表在Advanced Materials上。