纳米锗纳米晶粒表面修饰显著提升硅
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伴随日益增长的能量需求，高容量的硅负极材料(Li4.4Si,mAhg-1)激起了广泛的研究兴趣。硅材料价格低廉，资源丰富，作为替代传统石墨负极(37mAhg-1)的 选择，被认为是 商业化前景的负极材料。硅负极的产业化将有望实现对新兴电动汽车的大规模供能。然而，硅材料的工业化进展并不顺利，因为硅负极面临着硅材料本身的导电性差和充放电过程中巨大体积变化的双重挑战。
近日，东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室杨建平研究员团队与澳大利亚伍伦贡大学超导与电子材料研究所窦士学教授团队合作，通过对商业化硅纳米颗粒进一步进行结构设计和调控，制备出了锗纳米晶粒修饰的硅
碳纳米球负极材料(SiCGe)。如图一所示，一方面，碳包覆可以防止硅与电解液直接接触，避免硅电极与电解液直接发生副反应及形成不稳定的固相电解液界面膜(solidelectrolyteinterfacefilm)；同时，碳的引入直接应对和解决了硅的导电性差的挑战。另一方面，碳壳可以有效缓冲充放电过程中活性硅材料的结构张力和变形，应对巨大体积膨胀的挑战。最重要的是，借助少量Ge纳米晶粒在碳壳表面修饰，可以使SiC纳米球的性能得到了显著提升。首先，每个Ge纳米晶粒可以作为超小集流体，从而提高了锂离子扩散速率，电子传输速率，和离子利用率，使电极材料具备高倍率和高容量；其次，得利于Ge材料较高的锂化电压（~0.5V），使复合物在嵌锂具有更高容量的同时，Ge组分和Si组分还能有效地相互缓冲体积变化。图一.（a）Si
C和（b）SiCGe电化学循环过程中的形貌变化示意图及其相应的（c）电化学循环性能和（d）倍率性能。研究表明，这种独特的结构设计能够使电极材料表现出 的结构稳定性和电化学活性。经过次充放电循环后，电池容量仍高达mAhg-1，在10Ag-1的高倍率下，容量保持在mAhg-1。总之，这一研究工作突出了锗纳米晶粒修饰的重要性，基于其可以缓冲硅的体积膨胀，提高电极导电性及保持电极整体性的作用，这一策略也有望应用到其他在充放电过程中具有巨大体积变化的负极材料中。
这一成果近期以扉页插图发表在《AdvancedFunctionalMaterials》上，文章的 作者是东华大学罗维博士，通讯作者是伍伦贡大学王云晓博士和东华大学杨建平研究员。
该论文作者为：WeiLuo,DengkeShen,RenyuanZhang,BinweiZhang,YunxiaoWang*,ShiXueDou,HuaKunLiu,JianpingYang*
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