Small Structures:锗烯——储钠电极材料

研究背景

作为传统锂离子电池(LIBs)的替代者之一,钠离子电池(NIBs)被认为具备更加安全、便宜及环境友好的特点。锗单质作为优异的阳极材料通过合金化作用可以很好的应用在锂电池中,因而直觉上也会在钠离子电池上有所应用。然而,钠离子相对较大的离子半径(0.98 Å)导致其不能很好的插入锗单质中,另外,脱嵌钠过程中巨大的体积变化也会导致阳极材料锗的粉化,导致容量迅速衰减。受二维石墨烯可代替石墨成为一种高性能的电池材料的影响,锗的二维烯类物质,即锗烯,有较高表面积、稳定的力学性能、高电子迁移率的特点,故将其用在钠离子电池中会有较好的应用前景。

文章概述

北京航空航天大学和澳大利亚伍伦贡大学杜轶教授课题组通过改变温度对锗氢纳米材料进行了有效调控,获得具有不同结构和组分的锗系列物质——锗氢(GeH)、锗烯(germanene)以及锗(Ge)单质。锗氢中的锗原子与氢原子通过化学键相连,对物质升温后,氢原子会逐步从锗氢中脱落,从而,锗氢逐步异化为锗烯;随着温度的继续升高,z 轴方向的锗原子两两成键,形成立方结构的单质锗,实现了对纳米微晶尺寸、组成、形状和表面性质的精准可控合成。锗氢、锗烯及锗单质三者的合成温度不同,导电性也存在差异,活性位点也各不相同。基于此,研究人员将其用作钠离子电池的负极材料,并提出一种钠离子在锗烯材料中准插层反应的新机理。不同于钠离子在 锗单质中的合金化的传统机理,研究人员通过 XRD,拉曼辅助CV循环等技术表明当钠离子在锗烯中充放电时, 是一种准插层的反应,锗烯制备的钠离子电池容量高,稳定性较好。

这个工作不仅证明除石墨烯之外,与碳同族的锗也可以制备成具有石墨烯结构的二维稳定单质。二维锗烯具有和其他锗同素异形体完全不同的物理化学性质,因而在储能应用中展现出完全不同的充放电行为。这个工作是继联合团队在成功预测并实现二维硅烯在离子电池储能应用后,又一个成功的将其他二维烯材料作为电极材料的尝试。本文第一作者为刘娜娜,徐康和雷傲杰,通信作者为杜轶教授和王云晓研究员。

图文导读

图1. 锗氢(GeH)、锗烯(germanene)以及锗(Ge)单质的合成过程与电镜表征
图2. 锗氢(GeH)、锗烯(germanene)以及锗(Ge)单质的结构与组成表征
图3. 锗氢(GeH)、锗烯(germanene)以及锗(Ge)的电池性能表征
图4. 锗烯(germanene)电池的机理表征及相应的DFT计算

论文信息:

Germanene Nanosheets: Achieving Superior Sodium-Ion Storage via Pseudointercalation Reactions

Nana Liu, Kang Xu, Yaojie Lei, Yilian Xi, Yani Liu, Nana Wang, Yun-Xiao Wang*, Xun Xu, Weichang Hao, Shi Xue Dou, Yi Du*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100041

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100041