科学家制成新型高容量锂离子电池负极材料

自20世纪90年代索尼公司推出商业化的锂离子电池后，锂离子电池在此后20多年取得了极大的发展。但是，作为锂离子电池最主要的负极材料，石墨具有的理论比容量只有372 mAh/g，成品电池的功率密度只有100-150 Wh/kg, 不能满足下一代高容量高功率电池的需求。因为，寻找新型高容量的负极材料显得迫在眉睫。
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。
Oliver G. Schmidt课题组最新报道了一种新型高导电性Ge/Ti 多层薄膜。他们在硅片先旋涂上一层光刻胶，然后采用电子束沉积的方法依次沉积Ge和Ti，最后将样品浸入丙酮，形成多层管状Ge/Ti复合材料。
文中所得多层管状Ge/Ti复合材料，由于Ge与Ge之间有高导电性Ti作为导电通道，极大地提高了复合材料的的导电性(2.38•10-2 S•cm-1)，比纯Ge管状材料导电性高两个数量级(1.28•10-4 S•cm-1)。另一方面，由于Ti的存在，Ge/Ti复合材料的结构稳定性得到了很大的提高。在材料导电性和结构稳定性都得到很大提高的情况下，可以预见，Ge/Ti复合材料的充放电循环性能和倍率性能都将得到很大的提高。文中模拟电池测试表明，在充放电一百个循环之后，复合材料的比容量稳定在915 mAh/g，高于同等条件下的纯Ge电极(480 mAh/g)。
以上研究表明这种新型Ge/Ti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Advanced Materials上。