王成新教授研究组在高性能锂离子电池负极材料及其电化学机理研究中取得新进展

        Ge具有的理论比容量约为1600 mAh/g (4.3倍于石墨)，而且具有非常大的锂离子扩散系数（比Si高两个数量级），是下一代新型高容量锂离子电池的理想材料。但是，Ge的低导电性和循环中由于体积形变产生的应力，导致材料的结构不稳定，这些不足阻碍了Ge的进一步应用。

        最近，理工学院、光电材料与技术国家重点实验室王成新教授研究组的孙勇博士在之前工作的基础上（Nano Energy 2 (2013)1128, ACS Appl. Mater. Interfaces6 (2014) 19397），报道了一种新型高导电性的一维锗基复合材料。他们用化学气相沉积方法通过创造固—液—汽三相界面实现了半封闭的碳纳米管包覆的锗纳米线核壳结构。

        该种复合材料，由于Ge与Ge之间有高导电性碳纳米管作为导电通道，极大地提高了复合材料的导电性。另一方面，由于碳纳米管的存在，Ge/C复合材料的结构稳定性得到了很大的提高。电池测试表明，在充放电一百个循环后，复合材料的比容量稳定在1241mAh/g，远远高于同等条件下的纯Ge材料。

        通过半原位的系统表征发现，当前的材料体系中锂离子可以通过“由内而外”和“由外而内”两种方式穿过碳纳米管使锗纳米线完全合金化，第一种机制得益于半封闭的形貌结构，锂离子可以由开口端进入，锗锂合金化导致体积膨胀，进而撑破石墨壳层，随着锂离子的纵向嵌入，整根石墨管像拉链一样被撕裂；第二种机制当中，锂离子可以通过石墨层的各种缺陷处嵌入，逐层剥离最后和锗形成反应，其中前者为主要过程。无论是哪个过程，撕裂后的石墨碎片和锗转变成另外一种复合结构，仍然保持较好的接触，

        以上研究表明这种新型碳纳米管包覆的锗纳米线核壳复合材料作为下一代高容量锂离子电池负极材料的极大前景,相关结果发表在ACS Nano 9 (3479-3490) 2015上。

        本工作得到光电材料与技术国家重点实验室及国家基金委的大力支持。

        网址链接如下http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/nn506955f