注：文末有本文科研思路分析
近年来，随着电动车和移动电子设备快速发展，锂离子电池的性能成为影响其应用的重要因素。如何提高锂离子电池的能量密度以及快速充放电性能逐渐成为锂离子电池领域的研究重点。传统的石墨电极由于能量密度以及充放电速率等方面的限制，无法满足高性能锂离子电池的发展要求。相对于传统的石墨电极，具有更高比容量的硅、锗和锡等新兴负极材料有望成为下一代锂离子电池重要的负极材料。
硅负极具有极高的比容量，成为下一代锂离子电池负极材料的首要选项。但其较低的导电性和较大的体积变化成为阻碍其应用的重要因素。相较于硅，金属锗的具有较高的比容量（1600 mAh/g， Li4.4Ge）、良好的导电性以及优异的快速充放电性能。但是其在充放电的过程中高达300%的体积变化会导致较差的循环性能，影响其作为负极材料的实际应用。威斯康星大学密尔沃基分校（UW-Milwaukee）Junjie Niu课题组主要从事于新型锂离子电池的研究与开发。为了提高负极材料在快速充放电过程中的稳定性，提高锂离子传输速率，改善导电性，该课题组的研究人员选择新型二维材料MXene作为负载材料，金属氧化物GeOx作为活性材料，采用湿化学法成功制备了新型负极材料。负载材料MXene的特殊层状结构，可以在充放电的过程中为活性物质的体积变化提供足够的空间容量，以保持结构的稳定性。MXene优异的导电性有利于电极材料充放电速率的提高。同时，MXene表面官能团的存在，有利于制备过程中无定形态GeOx的均匀附着成膜（图1）。
图1. 材料的制备过程及TEM表征。
最终生成的具有特殊三维结构的新型负极材料在0.5C速率500圈后比容量能保持在1048.1 mAh/g。在1.0速率下1000圈后比容量保持在929.6 mAh/g，容量损耗小于0.02%/圈。同时，可实现高达20C速率下的充放电（图2）。在-40 到60℃的温度区间内表现出了较高的比容量以及稳定的循环性能（图3）。该新型负极材料有望应用于电动车、移动电子设备以及在极端温度环境下使用的电子设备。
图2. 作为锂离子电池负极材料在0.5C到20C的循环性能。
图3. 在-40℃到80℃的循环性能。
此成果近期发表在ACS Nano上，文章第一作者是UW-Milwaukee博士研究生 Mingwei Shang，通讯作者为Junjie Niu。
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A Fast Charge/Discharge and Wide-Temperature Battery with a Germanium Oxide Layer on a Ti3C2 MXene Matrix as Anode
Mingwei Shang, Xi Chen, Bangxing Li, Junjie Niu*
ACS Nano, 2020, 14, 3678-3686, DOI: 10.1021/acsnano.0c00556
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：我们课题组的主要研究方向为新型锂离子电池的研究与开发，相较于实验室层面的研究，我们更重视锂离子电池的实际应用。着眼于锂离子电池应用过程中的一些实际问题，有针对性的进行研究。在负极材料方面，我们的主要研究方向为硅，锗，锡等有较大潜力的电极材料。针对这类材料导电性差，体积变化大，以及循环性能差的问题，使用不同的方法有针对性的对其进行改善提高。课题组相关成果已经发表在ACS Nano、Nano Letters、ACS Applied Materials & Interfaces等杂志上。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项研究中最大的挑战是如何实现GeOx在MXene表面的均匀分布，以及对其形貌的控制。高温烧结有利于晶体的形成，可提高材料的比容量，但会造成颗粒的长大，影响电池的循环性能。同时，课题组在MXene制备等方面的经验积累为新材料的制备过程提供了有力的支持。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：该电极材料表现出了优异的循环性能以及较宽的应用温度范围，可应用于一些对电池的循环性能，快速充放电性能有特殊要求，以及一些应用于极端温度条件下的电子设备中。
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