新型MXene负载GeOx薄膜快速充放电、宽温域锂离子电池负极材料

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， Li_4.4Ge）、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GeO_x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GeO_x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。

文献链接：DOI：10.1021 / acsnano.0c00556

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