韦雅庆
层状GeP5负极材料的层间距调控及快充性能优化
报告人:韦雅庆
所在单位:海南大学材料科学与工程学院
报告人简介:韦雅庆，海南大学材料学院副教授，海南省D类高层次人才，硕/博士研究生导师，长期从事锂/钠离子电池先进电极材料的开发应用和机理研究，搭建in-situ XRD等原位平台，实现器件电化学储能过程的原位监控；采用热力/电化学驱动力探究材料不同晶态下的电化学性能，实现其可逆结构的自治愈；进一步提出“高可逆性多元合金负极”设计原则，依此开发出高熵固溶体合金；同时利用形貌结构设计（纳米线阵列、核壳结构等）实现电极材料性能优化。相关电极材料的合成制备、储锂机制探究、结构性能优化、全电池组装一体化测试，在Adv. Energy Mater.，Energy Storage Mater.，Adv. Sci, Chem. Eng. J., J. Energy Chem., Energy Environ. Mater.等期刊上发表学术论文40余篇，授权国家发明专利16项。主持科研项目包括国家自然科学基金青年基金、地区基金项目，海南省重点研发专项，海南省青年基金项目，海口市高价值专利组合培育项目，海南大学协同创新中心等项目。
报告摘要:类黑磷层状结构GeP5因其较大的放电容量(>2000 mAh/g)，合适的电压平台(~0.5 V)，较高的电子导电率(~1×106 S/m)和首次库伦效率(ICE>90%)在锂离子电池快充负极材料中展现出良好的应用前景，然而其有限的层间距(~3.358 Å)阻碍了Li+的快速扩散和迁移。基于此，本文通过原子取代策略，引入Si/Sn原子取代GeP5中的Ge，利用Si/Ge/Sn间的原子半径差异对其层间距进行调控。有趣的是，在引入比Ge更大原子半径的Sn之后，GeP5的层间距由原始的3.287 Å(Ge0.8Si0.2P5)有效拓张至3.458 Å (Ge0.7Sn0.3P5)，Li+扩散系数由原始的5.71×10-12 (Ge0.8Si0.2P5)提升至6.00×10-9 cm2/s (Ge0.7Sn0.3P5)，实现了反应动力学3个数量级的提升。因此，在2A/g电流密度下，Ge0.7Sn0.3P5电极仍发挥出高达1718 mAh/g的可逆容量，容量保持率高达87%，远优于层间距较小的Ge0.8Si0.2P5电极(仅1250 mAh/g，57%)，同时展现出更小的Li+扩散能垒(0.587 vs 0.898 eV)和更小的电压极化(0.42 vs 0.59 V)。最终，制备出来的Ge0.7Sn0.3P5/C电极的极限电流密度高达20 A/g，在12.5分钟(5C标准)内充至1362 mAh/g(满电状态的66%)，在6分钟(10C标准) 内充至1003 mAh/g(满电状态的50%)，组装出来的LiCoO2//Ge0.7Sn0.3P5软包电池也成功实现十分钟内对智能手机的满格充电。上述原子取代拓张层间距的调控技术也在石墨、MXene, GeS, GeSe, MoS2等层状材料得到进一步证实，均有效提升其快充倍率性能，证明该策略的普适性，为层状材料的层间距调控和快充性能优化提供重要的理论参考和技术借鉴。
