【科技动态】黄云辉课题组GeP3/C纳米复合物

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金属磷化物，不仅具有比碳材料更高的容量，而且抗氧化性更好、导电性更高。然而，快速的容...

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金属磷化物，不仅具有比碳材料更高的容量，而且抗氧化性更好、导电性更高。然而，快速的容量衰减，较短的循环寿命等缺陷，使其无法满足高能量密度锂离子电池的要求。

Ge，锂合金化/去合金化过程中体积变化可达270%，会引起电极表面形成不稳定的SEI膜以及活性物质在循环过程中粉化脱落，因此电极倍率性能骤降。鉴于此，华中科技大学黄云辉教授课题组以结构化GeP3纳米颗粒原位嵌入碳层的方式设计了出可大规模制备GeP3/C纳米复合物。

图1. (a)GeP3/C在0.01mV/s的扫速下的CV曲线；(b)GeP3/C在电流密度0.01A/g首次放电后的原位XRD图谱；(c)GeP3/C在0.1A/g下的充放电曲线；GeP3和GeP3/C的循环性能(d)和倍率性能(e)(基于全电极进行比容量计算)；(f)GeP3/C在循环之前的EIS曲线。插图是等效电路模型。

电化学性能测试表明：GeP3/C纳米复合负极材料在0.1A/g循环130次后，可逆容量竟高达1109mAh/g，容量保持率为86%；在2A/g和5A/g下，可逆容量依然能达590mA/h和425mA/h，表现出良好的循环性能和倍率性能。

图2. (a)黑磷和GeP3/C的FT-IR光谱；(b)GeP3/C的高分辨率XPS P2p图谱。

材料制备

通过两步高能机械研磨(HEMM)方法合成GeP3/C复合材料：在氩气手套箱中，将商业红磷(98％，Alfa Aesar)，GeO2(99％，Alfa Aesar)以摩尔比3:1在不锈钢小瓶(250mL)中混合，HEMM在P5型球磨机(Pritsch，Germany)上以400rpm球磨40小时，球与粉末的重量比为20:1。将获得的粉末(GeP3)与碳(99％，Alfa Aesar)以7:3的重量比进一步在150rpm下球磨50小时，得到GeP3/C纳米复合物。通过一步HEMM以相同条件混合红磷，GeO2和碳制备对照样品。黑磷的制备由红磷通过HEMM在400rpm下40小时。通过将黑磷和碳以7:3的重量比在150rpm下球磨50小时制备P/C。另外通过混合GeO2和碳在相同条件下制备GeO2/C。

材料表征

XRD（型号：德国Bruker D8）测试角度10°-90°；

拉曼（型号：日本LabRAM HR800）波长为532nm；

XPS（型号：美国Thermo Scientific公司，ESCALab220i-XL）；

FT-IR（型号：美国Thermo Scientific公司，Nicolet-6700）；

SEM（型号：美国FEI NANO 450）;

TEM（型号：美国FEI Tecnai G2 F20场发射透射电子显微镜）；

热重分析仪（型号：德国Netzsch STA 449 C）；

手套箱（型号：德国Braun）；

电池测试系统（型号：中国武汉，蓝电Land BT2001A）；

电化学工作站（型号：法国，Bio-Logic SA，VMP3；可以做基本的电化学研究，也可以进行电池，腐蚀方面的测试）

参考文献

Wen Qi, Haihua Zhao, Ying Wu, Hong Zeng, Tao Tao, Chao Chen, Chunjiang Kuang, Shaoxiong Zhou & Yunhui Huang, Facile Synthesis of Layer Structured GeP3/C with Stable Chemical Bonding for Enhanced Lithium-Ion Storage, Scientific Reports, 2017, DOI:10.1038/srep43582.