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第一作者：Meisheng Han

通訊作者：趙天壽

通訊單位：南方科技大學

趙天壽，中國科學院院士、能源科學與工程熱物理專家。1983年畢業于天津大學熱物理工程系，1986年獲該校碩士學位，1995年獲得美國夏威夷大學博士學位。現任南方科技大學講席教授、美國機械工程師學會(ASME) Fellow、英國皇家化學學會(RSC) Fellow、曾獲Croucher資深研究成就獎、何梁何利基金科學與技術進步獎、國家自然科學二等獎、香港科大工程學杰出研究成就獎。入選Clarivate/Thomson Reuters 全球高被引科學家和最有影響力科學思想名錄。任國際期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主編與Energy & Environmental Science顧問編委。

論文速覽

鍺（Ge）陽極因其較高的理論體積容量（8646 mAh cm^?3）而在鋰離子電池中受到廣泛關注。然而，巨大的體積膨脹（≈230%）導致其較差的電化學性能。文獻中報道的解決該問題的策略通常導致低堆積密度，降低了體積容量。

本研究提出了一種通過高壓誘導方法制備致密的鍺(Ge)基負極材料，用于鋰離子電池。

該材料為被堅固TiO₂和高導電碳層包裹的納米尺寸Ge（約15納米），展現出低應力-應變特性、低體積膨脹、高電子導電性（463.2 S m^?1）、高鋰離子擴散系數（9.55 × 10^?9–8.51 × 10^?12cm² s^?1）和高壓實密度（1.79 g cm^?3）。這種致密結構在0.1 A g^?1時實現了3559.8 mAh cm^?3的出色體積容量，在20 A g^?1時為2628.2 mAh cm^?3，并在10 A g^?1下擁有超過5000個循環的優異循環壽命。

此外，全電池展示了高達1760.1 Wh L^?1的高體積能量密度，以及卓越的快充性能和長循環壽命。這項工作為設計高體積容量的合金基鋰離子電池負極提供了新的合成策略和深入見解。

圖文導讀

圖1：樣品合成示意圖及相應的SEM圖像。

圖2：XRD、Raman、XPS分析：通過XRD確認了樣品的晶體結構，Raman光譜顯示了碳材料的存在，XPS分析揭示了Ge、TiO₂和C的化學狀態。

圖3：電化學性能測試。

圖4：不同電流密度下的循環測試，證明了TiO₂/Ge/C-HP電極的長期穩定性和結構完整性。

總結展望

本研究成功開發了一種新型的高壓誘導致密Ge基負極材料，該材料在保持高體積容量的同時，還具有出色的循環穩定性和快充性能。通過使用高密度TiO₂和高導電碳的雙重封裝，有效緩解了Ge在鋰化過程中的體積膨脹，提高了結構穩定性。

此外，該材料的高壓實密度和低體積膨脹特性使其在實際應用中具有巨大的潛力。未來的工作將進一步優化制備工藝，降低成本，并探索該材料在其他類型電池中的應用。

文獻信息

標題：Pressure-Induced Dense and Robust Ge Architecture for Superior Volumetric Lithium Storage

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202401065

原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/05/27/080ce23598/

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