Multiscale Micro‐Nano Hierarchical Porous Germanium with Self‐Adaptive Stress Dispersion for Highly Robust Lithium‐Ion Batteries Anode

材料科学 阳极 锂(药物) 法拉第效率 微尺度化学 多孔性 纳米孔 纳米技术 化学工程 复合材料 光电子学 电极 物理化学 工程类 内分泌学 医学 数学教育 化学 数学
作者
Siguang Guo,Zhefei Sun,Yu Liu,Xinbo Guo,Haoqin Feng,Shi‐He Luo,Changhao Wei,Yang Zheng,Xuming Zhang,Kangwoon Kim,Haodong Liu,Paul K. Chu,Biao Gao,Qiaobao Zhang,Kaifu Huo
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (13) 被引量:24
标识
DOI:10.1002/aenm.202303876
摘要

Abstract The manipulation of stress in high‐capacity microscale alloying anode materials, which undergo significant volumetric variation during cycling, is crucial prerequisite for improved their cycling capability. In this work, an innovative structural design strategy is proposed for scalable fabrication of a unique 3D highly porous micro structured germanium (Ge) featuring micro‐nano hierarchical architecture as viable anode for high‐performance lithium‐ion batteries (LIBs). The resultant micro‐sized Ge, consisting of interconnected nanoligaments and bicontinuous nanopores, is endowed with high activity, decreased Li + diffusion distance and alleviated volume variation, appealing as an ideal platform for in‐depth understanding the relationship between structural design and stress evolution. Such a micro‐sized Ge being highly porous delivers a record high initial Coulombic efficiency of 92.5%, large volumetric capacity of 2,421 mAh cm −3 at 1.2 mA cm −2 , exceptional rate capability (805.6 mAh g −1 at 10 Ag −1 ) and cycling stability (over 90% capacity retention after 1000 cycles even at 5 A g −1 ), largely outperforming the reported Ge‐based anodes for LIBs. Furthermore, its underlying Li storage mechanism and stress dispersion behavior are explicitly revealed by combined substantial in situ/ex situ experimental characterizations and theoretical computation. This work provides novel insights into the rational design of high‐performance and durable alloying anodes toward high‐energy LIBs.
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