​华科李会巧AEM：Zn取代实现锂离子电池的高倍率Ge1-xZnxP固溶体负极

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​华科李会巧AEM：Zn取代实现锂离子电池的高倍率Ge1-xZnxP固溶体负极
具有大容量、低平台和高初始库仑效率（ICE）的单斜晶系GeP已被证明是锂离子电池（LIBs）的替代负极，但价格昂贵的Ge原料的大量使用阻碍了其进一步发展。
​华科李会巧AEM：Zn取代实现锂离子电池的高倍率Ge1-xZnxP固溶体负极
为此，华中科技大学李会巧教授等人通过在GeP中引入Zn取代（价格低、平台适宜、半径相近），成功获得了一种具有0.143 < x < 0.6之间宽范围可调区域的新型Ge1-xZnxP相。更具体地说，这被认为是一种固溶体，而不是普通的金属磷化物。
如此大的替代区（60%的Ge可被Zn原子取代）大大减少了Ge原料的大量使用，降低了GeP的价格。
更令人惊讶的是，这种Ge1-xZnxP材料中出现了一种不同于m-GeP的新相，且首次被证实属于F-43m空间群216中的立方结构。
因此，GeP相结构通过引入Zn取代，可成功从单斜晶系介导到立方晶系。与传统的m-GeP相比，这种立方Ge1-xZnxP相（c-Ge1-xZnxP）具有更高的金属电导率，被认为更适合用于LIBs。
​华科李会巧AEM：Zn取代实现锂离子电池的高倍率Ge1-xZnxP固溶体负极
图1. c-Ge1-xZnxP相的合成与表征
进一步，作者采用XRD、Raman、XPS、XANES和EXAFS等各种实验工具及第一性原理计算来研究这种新型c-Ge1-xZnxP相的结构特征和物理化学性质。
当作为LIB负极时，受益于其更高的金属电导率，这种新型c-Ge1-xZnxP比其未掺杂的单斜晶系m-GeP相具有更好的倍率性能，在2000 mA g-1的电流密度下二者容量分别为881、283 mAh g-1。
此外，c-Ge1-xZnxP还同时保持了m-GeP的大容量、低平台和高ICE的巨大优势。同时，与商用LiCoO2正极组装的LiCoO2//Ge1-xZnxP全电池表现出超过1000 mAh g-1的大可逆容量。
因此，这种通过原子取代的相控制策略可为相多样性提供新的理解，且易于扩展到操控其他多相材料的电化学行为以实现先进储能。
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图2. c-Ge1-xZnxP负极的电化学性能表征
Triggering the Phase Conversion of GeP from Monoclinic to Cubic by Zn Substitution toward a High-Rate Ge1-xZnxP Solid Solution Anode for Li-Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202884
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