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南方科大趙天壽院士，重磅AEM：能量密度達1760.1 Wh/L，循環(huán)壽命超5000次！

第一作者：Meisheng Han

通訊作者：趙天壽

通訊單位：南方科技大學(xué)

趙天壽，中國科學(xué)院院士、能源科學(xué)與工程熱物理專家。1983年畢業(yè)于天津大學(xué)熱物理工程系，1986年獲該校碩士學(xué)位，1995年獲得美國夏威夷大學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)任南方科技大學(xué)講席教授、美國機械工程師學(xué)會(ASME) Fellow、英國皇家化學(xué)學(xué)會(RSC) Fellow、曾獲Croucher資深研究成就獎、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進步獎、國家自然科學(xué)二等獎、香港科大工程學(xué)杰出研究成就獎。入選Clarivate/Thomson Reuters 全球高被引科學(xué)家和最有影響力科學(xué)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(guān)注。然而，巨大的體積膨脹（≈230%）導(dǎo)致其較差的電化學(xué)性能。文獻中報道的解決該問題的策略通常導(dǎo)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(dǎo)方法制備致密的鍺(Ge)基負(fù)極材料，用于鋰離子電池。

該材料為被堅固TiO₂和高導(dǎo)電碳層包裹的納米尺寸Ge（約15納米），展現(xiàn)出低應(yīng)力-應(yīng)變特性、低體積膨脹、高電子導(dǎo)電性（463.2 S m^?1）、高鋰離子擴散系數(shù)（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(jié)構(gòu)在0.1 A g^?1時實現(xiàn)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?lián)碛谐^5000個循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)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(huán)壽命。這項工作為設(shè)計高體積容量的合金基鋰離子電池負(fù)極提供了新的合成策略和深入見解。

圖文導(dǎo)讀

圖1：樣品合成示意圖及相應(yīng)的SEM圖像。

圖2：XRD、Raman、XPS分析：通過XRD確認(rèn)了樣品的晶體結(jié)構(gòu)，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(xué)狀態(tài)。

圖3：電化學(xué)性能測試。

圖4：不同電流密度下的循環(huán)測試，證明了TiO₂/Ge/C-HP電極的長期穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。

總結(jié)展望

本研究成功開發(fā)了一種新型的高壓誘導(dǎo)致密Ge基負(fù)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(huán)穩(wěn)定性和快充性能。通過使用高密度TiO₂和高導(dǎo)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(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yīng)用中具有巨大的潛力。未來的工作將進一步優(yōu)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(yīng)用。

文獻信息

標(biāo)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(chuàng)文章，作者：wang，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/05/27/fe2691a7c6/

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