三峡大学&中科院半导体所Adv. Funct.Mater.：氮化镓应用于能源储存领域

【引言】

作为一种高效的能源储存设备，锂离子电池表现出巨大的优势，然而其能量密度和循环寿命仍需提高。如今，半导体材料被作为锂离子电池的正极材料广泛研究。其中，金属氮化物这种半导体材料具有比硅和过渡金属氧化物高得多的电子导电率。而且，通过无定型化的方式可以降低氮化镓的能带间隙。氮化镓的使用避免了硅和过渡金属氧化物出现的低电子传导性和在嵌锂及脱锂过程中出现的体积变化大的问题（可能会导致材料粉碎，团聚等问题）然而，氮化镓在能源储存领域的应用却很少，李晋闽课题组在这方面做出了突破，开始了氮化镓在能源储存领域的新应用。

【成果简介】

近日，三峡大学倪世兵教授，中科院半导体所李晋闽教授，黄鹏（音译）博士联合在Advanced Functional Materials上发表了题为“Amorphous GaN@Cu Freestanding Electrode forHigh-Performance Li-Ion Batteries”的文章。课题组采用脉冲激光沉淀（PLD法）的方法制备了一种独立式的a-GaN@Cu电极，应用于锂离子电池时，该电极展现了突出的比容量和超长的循环寿命，同时具备高导电性和稳定性。其在0.25A/g和6.25A/g之间进行两次倍率测试，当重新回到0.25A/g时，a-GaN@Cu电极的放电容量达到509mAh/g。这是a-GaN@Cu首次作为锂离子电池负极材料，该成果为拓宽氮化镓在能源储存设备方面的应用提供了方向。

【图文导读】

图一：PLD法生成GaN@Cu的示意图

制电极时，首先，使用电化学腐蚀的方法将Cu(OH)₂生长在泡沫铜上，其中石墨作为阴极。随后，在氢气气氛中，Cu(OH)₂还原为Cu，最后即利用PLD方法将a-GaN涂覆在泡沫铜上。

图二：制备的GaN@Cu的结构表征

（a）SEM图像显示a-GaN@Cu棒直径约150nm，长度1-2μm；

（b）TEM图像进一步表明a-GaN@Cu是棒与棒交织的结构；

（c）EDS绘图显示了a-GaN@Cu的元素分布；

（d）HRTEM图表明了GaN的无定型形态，Cu{111}晶面的晶晶间距为0.21nm。

图三：a-GaN@Cu的TEM和XPS表征

（a）SEM图像；

（b）SAED图像；

（c）EDS图像；

（d）和（e）Ga元素3d轨道和N元素1s轨道高分辨率XPS图像；

（f）充电后的TEM图像；

（g）充电后的SAED图像；

（h）充电后EDS图像。

图四：a-GaN@Cu电化学性能

（a）最开始的三条CV曲线；

（b）最开始的三条充放电曲线；

（c）倍率性能；

（d）10A/g时长期循环性能。

【小结】

研究组采用PLD法制备新型a-GaN@Cu电极，并将其应用于锂离子电池。这是氮化镓第一次应用于能源储存设备领域。使用它作为锂离子电池的负极材料后，电池具有了较高的比容量和超长的循环寿命，同时具备了高的电子传导性和稳定性，避免了硅或过渡金属氧化物作为正极材料时出现的问题。氮化镓的生产在半导体工业领域已经成为一项成熟技术，该成果有效拓宽了氮化镓的应用范围。

文献链接：Amorphous GaN@Cu Freestanding Electrode for High-Performance Li-Ion Batteries（Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201701808 ）

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