谢毅院士ACS Nano：局域电场助力高性能锂离子电池

【引言】

从大范围能源储存体系至便携电子器件，锂离子电池在其中扮演着重要角色，因此提高其功率密度、能量密度和循环寿命是十分必要的。锗基材料有着高理论比容量、快速锂离子扩散率和高电导率，十分适用于锂电阳极。然而，体积膨胀和粒子团聚问题使得其电化学性能不尽人意。

在三元锗酸盐中，CuGeO₃拥有独特的二维层状结构，能提供体积膨胀所需的缓冲空间，还能使得反应限制在层内形成“微型反应池”提高电化学活性。除此以外，CuGeO₃的晶体结构使得充放电可逆，延长了循环寿命。

另一方面，当二维材料的厚度减少至原子尺度时，由于内在的无机固体发生变化，产生了自适应缺陷。这些缺陷能有效地调节电子结构而无需改变原始晶格，将有利于锂电池倍率性能。更重要的是，二维纳米结构拥有无比的“3S”特性、结构稳定性和高活性表面积，缩短了了锂存储的路径。

【成果简介】

近日，来自中国科学技术大学的肖翀教授、谢毅教授（中科院院士），以及澳大利亚伍伦贡大学的郭再萍教授（共同通讯作者）在著名期刊ACS Nano上发表题为”Local Electric Field Facilitates High-Performance Li-Ion Batteries”的论文。该文章报道了一种常规液相剥离法制成的二维CuGeO₃超薄纳米片(CGOUNs)/石墨烯范德华异质结的锂电阳极材料。有趣的是，当CuGeO₃的厚度减少至原子尺度时，由于有较多的表面原子轻易离开了二维晶格，产生自适应氧空位。第一性原理计算表明，产生明显的电子转移现象，使得电子分布不平衡，在氧空位区域上产生了局域电场。该微型面内局域电场能加快离子/电子的迁移率，提高电极材料的电荷转换速率。并且，通过把石墨烯作为导电基底和缓冲层，提高了该材料的循环寿命和倍率性能。

【图文导读】

图一：块状CuGeO₃电极的原位同步加速X射线粉末衍射图(SXRPD)。

(a) CuGeO₃的SXRPD信号反映；

(b) CuGeO₃的晶体结构；

(c) 10°-11°包含(201)峰的SXRPD；

(d) 13°-14.5°包含(011)和(210)峰的SXRPD。

图二：CGOUNs和CGOUNs石墨烯范德华异质结的微观结构。

(a) CGOUNs的XRD图；

(b) CGOUNs的AFM图;

(c) CGOUNs的HAADF-STEM图；

(d) CGOUNs/石墨烯的拉曼光谱；

(e) CGOUNs/石墨烯的STEM-HAADF图；

(f)-(i) CGOUNs/石墨烯的EDS图。

图三：电化学性能。

(a) CV图；

(b) 不同电流密度的CGD图；

(c) 倍率性能图；

(d) 与其他纳米锗基阳极倍率特性的比较；

(e) 长时间循环寿命。

图四：原子尺度的缺陷表征和对应的电子结构计算。

(a) ESR结果；

(b) /(c) V_o^••不同电荷密度；

(d) 氧空位自由CuGeO₃的电荷密度分布；

(e) 不同位点下的氧空位区域1；

(f) 不同位点下的氧空位区域2；

(g) CGOUNs/石墨烯的氧空位；

(h) CGOUNs的氧空位；

(i) 氧空位区域的电荷转移行为；

(j) 局域电场增强高倍率性能的原理。

【小结】

通过关注高性能锂电池中锂离子迁移行为的内在因素，从实验上得到了限制在CGOUNs/石墨烯范德华异质结的氧空位作为高性能阳极材料。在该体系中，纳米片构造的原子厚度提供了充足的活性位点来提升高容量，并释放结构压力以此防止结构遭破坏。更重要的是，自适应原子尺度氧空位能引发面内自建电场，加快离子/电子迁移率，提高倍率性能。除此以外，石墨烯基底则作为弹性缓冲层、电子传输通道和额外的界面储锂来源。收益于该多尺度阶梯式策略，CGOUNs/石墨烯在100mA g^-1电流密度下展示了高达1295mAh g^-1的比容量，良好的倍率特性以及长循环寿命。

文献链接：Local Electric Field Facilitates High-Performance Li-Ion Batteries(ACS Nano: 10.1021/acsnano.7b04617)

本文由材料人欧洲杯线上买球 前线 Jespen 供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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