宁波大学JCIS！激光诱导石墨烯助力高性能锂离子电池锗负极！

研究背景

随着经济和工业的快速发展，全球对能源的需求急剧增加，高性能锂离子电池（LIBs）的研发成为满足市场需求的关键。锗（Ge）因其高理论容量和优异的电化学性能，被认为是先进的LIBs阳极材料。然而，Ge在充放电过程中体积膨胀和收缩较大，限制了其应用范围。三维（3D）支撑结构与有效的薄膜沉积技术相结合，可以增强Ge阳极的机械完整性，提高其循环寿命。

成果简介

在这项研究中，研究人员成功制备了一种三维互联石墨烯（Gr）骨架支撑的Ge阳极，通过直接激光烧蚀工艺使用聚酰亚胺（PI）基底。这种3D Gr框架具有高比表面积、充足的空间和短的电子/离子传输距离，作为Ge阳极的有效中间层，实现了优异的锂离子存储能力和循环寿命。通过第一性原理计算确定的高吸附能和有利的3D结构，使得制备的固态Li||固态聚合物电解质||3D Ge/Gr和全3D Ge/Gr||LiPF6||LiCoO2电池展现出高可逆比容量和循环稳定性。通过循环电极和原位拉曼光谱系统研究了3D Ge/Gr电极的结构稳定性和锂离子存储机制，并验证了3D Gr支撑结构的积极影响。

图文导读

图1：(a) 裸Ge和Ge/Gr表面的锂离子吸附能；(b) 裸Ge和Ge/Gr结构表面锂离子的差分电荷密度。

图2：(a) 3D Ge/Gr电极制备过程示意图；(b) 3D Gr/PI；(c) 3D Gr粉末；(d) 3D Gr/Cu集流体；(e-f) 3D Ge/Gr阳极；(g) EDS图案；(h) 3D Ge/Gr阳极和3D Gr/Cu集流体的拉曼光谱；(i) 3D Ge/Gr阳极和3D Gr/Cu集流体的XRD结果；(j) 3D Ge/Gr阳极的HRTEM图像，插图对应SAED图案；(k) 暗场TEM图像；(l) 元素分布图；(m) 3D Ge/Gr阳极的EDS光谱。

图3：3D Ge/Gr阳极的XPS光谱。(a) 全谱；(b) C 1s；(c) Ge 3d；(d) O 1s。

小结

本研究通过激光烧蚀技术成功制备了三维互联氮掺杂石墨烯框架支撑的非晶Ge阳极，显著提升了锂离子电池的电化学性能。在1.0 A/g的电流密度下，3D Ge/Gr阳极在2000个循环中实现了860 mAh/g的高比容量，展现出优异的循环稳定性和倍率性能。3D Gr/Cu集流体的高比表面积和短的离子/电子传输距离，使得Li离子和电子在Ge活性材料中的存储更快、更可逆。此外，3D石墨烯框架的充足空间有效缓解了Ge阳极在反复合金化/去合金化过程中的体积变化。理论研究和系统的实验表征验证了电化学动力学的增强。因此，3D Ge/Gr电极的高性能和合理设计有助于其在LIBs和其他能源存储系统中的实际应用。

文献：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.02.192