高性能鋰離子電池，GaZnON納米顆粒提升轉換效率

近日，廣州大學教授王家海團隊聯合香港科技大學教授邵敏華，在高性能鋰離子電池研究方面取得新進展。相關研究發表于《納米能源》。

據介紹，近年來，便攜式電子設備的推廣及高度集成化、小型化的發展趨勢，對可充電鋰離子電池性能的要求越來越高。對鋰離子電池而言，負極材料是影響電池整體性能的重要因素。作為傳統商用鋰電池負極的石墨材料，其較低的比容量阻礙了鋰離子電池的進一步發展。因此，尋找具有高比容量和優異循環及倍率性能的新型負極材料對于開發下一代高性能鋰離子電池至關重要。作為一種典型的四元固溶體材料，（Ga1-xZnx）（N1-xOx）（GaZnON）具有穩定的六方纖鋅礦結構。電負性較小的N原子的引入，使得Zn 3d和N 2p軌道之間存在相互作用，從而在不改變導帶底位置的情況下，降低價帶頂的位置，提高電子轉移效率。此外，更穩定的化學性質也有利于GaZnON在惡劣的電化學反應環境中使用。但是，傳統固相氨化反應會導致GaZnON顆粒形態和組分的分布不均勻。同時，較小的比表面積也會阻礙GaZnON與電解液的充分接觸，導致可參與反應的活性位點相對較少，制約其在鋰離子電池中的進一步應用。

為解決上述問題，研究人員利用氧化石墨烯表面含氧基團作為金屬離子吸附活性位點的原理，得到石墨烯復合GaZnON納米顆粒，利用內建電場的調控作用，增強GaZnON與石墨烯間界面耦合作用，并充分利用GaZnON的結構優勢與石墨烯良好導電性之間的協同效應，加快電化學反應動力學過程，增強GaZnON復合電極的電化學性能。理論計算研究進一步表明，石墨烯復合GaZnON表面電子發生聚集并進行重新分布，從而促進電荷遷移，增進表面耦合作用，通過表面工程設計的界面結構，不僅能增強GaZnON表面電子密度，還能極大提高充放電過程中的電荷遷移擴散效率，降低鋰離子遷移能帶壁壘，增強電化學反應過程中復合電極的倍率和循環性能。該研究為通過界面調控策略提高電極材料的電荷轉移效率和開發高性能電極材料提供了新的研究思路，并極大的擴展了傳統金屬氮氧化物的應用范圍。