ゲルマニウム-リン二元系ナノ粒子を多孔質炭素マトリックスに埋め込んだ金属熱還元による高速・安定な大容量電池の開発

Fast and Stable Batteries with High Capacity Enabled by Germanium-Phosphorus Binary Nanoparticles Embedded in a Porous Carbon Matrix via Metallothermic Reduction.

• Yuhua Yan
• Jiafeng Ruan
• Hongyi Xu
• Ying Xu
• Yuepeng Pang
• Junhe Yang
• Shiyou Zheng

抄録

リチウムイオン電池（LIB）の負極材料として、理論容量が大きいことから、GeやPなどのリチウム合金材料が注目されていますが、これらの材料は、電気化学的な繰り返しの体積膨張による容量の減衰が避けられません。しかし、これらの材料は、電気化学的なプロセスを繰り返すと、体積膨張による容量の減衰が避けられません。本研究では、多孔質炭素中に埋め込まれたゲルマニウム-リン二元系ナノ粒子(GPBN/C)を金属熱還元法により合成する方法を提案する。LIB負極として、GPBN/C電極は優れたレート性能(368 mAh g at 40 A g)と長期サイクル能力(541 mAh g at 1.0 A g at 1000サイクル後)を示した。さらに、GPBN/C複合電極は広い温度範囲で優れたサイクル性能を示し、60℃で1030 mAh g、0℃で696 mAh gの可逆容量を示しています。多孔質炭素マトリックス中に高度に分散したGe-Pナノ粒子が形成されていることに起因して、GPBN/C電極は例外的な電気化学的性能を示している。重要なことは、我々の戦略は、高速で安定な大容量電池を開発するための合金型電極を探索するための効果的な方法を提供することである。

Lithium-alloyable materials such as Ge and P have attracted considerable attention as promising anode materials for lithium-ion batteries (LIBs) owing to their high theoretical capacity. However, these materials inevitably undergo capacity attenuation caused by large volume expansion in repeated electrochemical processes. Herein, we propose a facile strategy to synthesize germanium-phosphorus binary nanoparticles embedded in porous carbon (GPBN/C) via metallothermic reduction. As an LIB anode, the GPBN/C electrode exhibits outstanding rate performance (368 mAh g at 40 A g) and remarkable long-term cycling ability (541 mAh g at 1.0 A g after 1000 cycles). Besides, the GPBN/C composite electrode presents an outstanding cycling performance at wide temperature ranges, showing reversible capacities of 1030 and 696 mAh g at 60 and 0 °C, respectively. Attributed to the formation of highly dispersed Ge-P nanoparticles in a porous carbon matrix, the GPBN/C electrode shows exceptional electrochemical performance. Importantly, our strategy provides an effective way to explore alloy-type electrodes to develop fast and stable high-capacity batteries.