吉林师范李海波Chem. Commun.：镓原位合金化抑制锗分形生长制备镓锗合金纳米弯线及其高锂离子迁移率

通讯作者：李海波教授、孟祥东教授、李垚教授

通讯单位：吉林师范大学、哈尔滨工业大学

论文DOI: 10.1039/C9CC04408F

背景介绍

锗基纳米材料具有较高的理论比容量(1600 mA h g^-1)及独特的性质能够作为锂离子电池的电极材料。但是金属锗在晶化过程中容易自发形成分形结构，在分形网络边界处的散射，成为快速锂离子传输的障碍。所以，调控锗分形结构的生长有利于提升锗基纳米材料的锂离子迁移率，从而获得具有高倍率性能的电极材料。

成果简介

吉林师范大学李海波教授团队孟祥东教授等人在Chemical Communications上发表了题为“In situ Ga-alloying in germanium nano-twists by the inhibition of fractal growth with fast Li⁺-mobility”的最新研究结果。该工作通过调控离子液体电沉积过程中镓的原位合金化，进而抑制锗的分形生长，获得镓锗合金纳米弯线（nano-twist）；由于其具有高的锂离子迁移率，为实现电池的快速充放电提供了一种可行方法。此报道中，利用离子液体电沉积法制备的镓锗纳米弯线具有1730 mA h g^-1 初始放电比容量，即使经过150圈循环后依然保持约1150 mA h g^-1的比容量，镓锗纳米弯线还表现出卓越的倍率性能，在16 A g^-1的充放电电流密度下的放电比容量为819 mA h g^-1，其阳极及阴极锂离子迁移率分别为1.37´10^-9 cm² s^-1 和9.85´10^-10 cm² s^-1，远高于锗的锂离子迁移率。

图文导读

图1离子液体电沉积法制备以镓纳米球为种子抑制分形生长的Ge_0.90Ga_0.10 nano-twist。(a) 镓纳米球，(b) 镓纳米球诱导锗生长，(c) 锗的分形生长，(d) 镓原位合金化抑制分形生长，(e) 形成镓锗纳米弯线。

图2 (a) 镓锗纳米弯线和 (b) 锗纳米树的PXRD及峰形拟合结果。(c) Ar⁺刻蚀不同时间后镓锗纳米弯线的元素含量图，插图中的表为不同刻蚀时间后镓在镓锗纳米弯线中比例。(d) 生长在ITO基片上的镓锗纳米弯线的FESEM图像。

图3 镓合金化抑制锗生长原位电化学过程中分形生长的机理。

图4 (a) 镓锗纳米弯线在0.32 A g^-1电流密度下的循环表现及库伦效率图。(b) 镓锗纳米弯线第1、2、50、100和150圈的恒流充放电曲线。(c) 倍率性能图。

图5 (a) 镓锗纳米弯线和锗纳米树循环前的电化学阻抗谱，插图为低频区内Z’和w^-1/2的变化关系图，插图中的表为基于电化学阻抗计算的锂离子迁移系数。(b) 镓锗纳米弯线和 (c) 锗纳米树在不同扫描速率下的CV曲线。 (d) 镓锗纳米弯线和锗纳米树峰电流I_p与扫描速率平方根v^1/2的关系图。

小结

作者提出了一种原位Ga合金化来抑制Ge分形生长的方法，进而制备Ge_0.90Ga_0.10纳米弯线。作者分析了Ga抑制分形生长机理和作为电极的循环稳定性及卓越的倍率性能。利用交流阻抗法和循环伏安法计算了材料的锂离子迁移率，发现锗镓纳米弯线具有高的锂离子传输率，适用于锂电池的快速充放电。本论文报道的镓合金抑制分形生长的方法不仅限于锗基材料，还可以开发新型电极材料和能源器件。

文献链接：In situ Ga-alloying in germanium nano-twists by the inhibition of fractal growth with fast Li⁺-mobility (Chemical Communications, 2019, DOI: 10.1039/C9CC04408F)

本文由吉林师范大学李海波教授团队供稿。

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