胡素娟教授，昆明学院，JEC：开发一种聚合物锚定的分层阳极，以抑制钝化-腐蚀并提升柔性锗空气电池的反应动力学

第一作者：李智勇

通讯作者：胡素娟* 高树林*

单位：昆明学院

锗空气电池（Ge-air batteries, GABs）因其高达1477 mAh/g的理论比容量，在可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。然而，在碱性电解质中，锗阳极常常遭遇两种主要退化机制：GeO2钝化层形成和析氢腐蚀，这两者相互影响，共同加剧阳极界面的恶化，导致界面反应失衡和电池性能下降。具体而言，放电过程中锗阳极与OH⁻反应生成Ge(OH)4，随后脱水形成GeO2，进而在阳极表面形成不导电的钝化层；与此同时，析氢腐蚀则消耗锗阳极材料并产生气泡，破坏电池界面的稳定性。现有研究多集中于解决单一退化路径，未能同时有效应对这两种退化机制。因此，迫切需要一种创新的界面调控策略。本研究提出了Cu-PVDF@Ge多孔阳极，通过聚偏二氟乙烯（PVDF）的疏水性和强表面亲和力，成功抑制了GeO2的成片附着并减少了析氢腐蚀，从而显著提升了锗空气电池的性能。这一界面调控策略为实现高性能、长期稳定的锗空气电池提供了新的解决方案。

近日，昆明学院胡素娟课题组在国际期刊《Journal of Energy Chemistry》上发表了题为“Developing a Polymer-Anchored Hierarchical Anode to Suppress Passivation-Corrosion toward Flexible Ge-Air Batteries”的研究论文。该研究针对锗空气电池（GABs）中锗阳极材料的钝化反应与析氢腐蚀共同造成的阳极界面失稳恶化的问题，提出并构建了一种Cu-PVDF@Ge阳极。密度泛函理论（DFT）计算与多维电化学表征表明，该阳极设计显著抑制了GeO2的积累，并减缓了析氢腐蚀，提升了电池的反应动力学。具体表现为：Cu-PVDF@Ge阳极的活化能降低了29.8%，功率密度提升了93%；在弯折条件下，电池展现出了出色的稳定性，长期放电性能得到保障。通过引入聚偏二氟乙烯（PVDF），该策略实现了阳极界面化学的协同调控，优化了传统锗空气电池面临的界面不稳定问题，为柔性锗空气电池提供了新的解决方案。该工作为柔性、稳定的半导体-空气电池界面的设计提供了一个通用的界面调控范式，对于高性能和可穿戴储能设备的研发具有参考意义。

为了应对锗空气电池中锗阳极材料的钝化和析氢腐蚀这两个共同造成阳极界面失稳问题，研究提出了一种通过PVDF调控锗阳极界面的策略。PVDF通过其对锗表面的较强亲和力，使得其能够在Ge表面稳定吸附，从而抑制GeO2钝化层在阳极表面的成片形成并减缓析氢腐蚀。通过电势分布和吸附能分析，研究表明PVDF优先占据Ge表面的位点，削弱了GeO2的吸附倾向。这一界面稳定化策略有效地抑制了Ge阳极表面的钝化问题，而其疏水性主链又削弱了阳极析氢腐蚀的程度，改善了锗空气电池的长期稳定性，为解决锗空气电池中的界面失稳问题提供了新思路。

通过原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）对Cu-PVDF@Ge阳极进行表征，结果显示PVDF与Ge颗粒在旋涂过程中形成了稳定的表面结构和较为均匀的阳极表面表面电势分布。原位拉曼光谱和原位光学显微镜进一步揭示了阳极表面钝化层生成与析氢腐蚀的演化过程，相较于没有保护的纯锗片而言，PVDF有效稳定了Cu-PVDF@Ge阳极的微观反应界面，界面失稳情况得到明显改善。

Cu-PVDF@Ge阳极的多孔结构有效促进了电解液的渗透和OH⁻的传输，抑制了GeO2钝化层的成片形成和析氢腐蚀。PVDF通过自身的疏水性和保持界面稳定的能力，显著提高了阳极的反应性和耐腐蚀性。与裸Ge相比，Cu-PVDF@Ge在放电过程中展现了更低的腐蚀电流和更好的界面稳定性。这些结果表明了PVDF能够有效改善Ge阳极的性能和对阳极的保护作用。

在PVDF调控锗阳极界面的策略下，锗空气电池的性能得到全面改善：与裸Ge相比，该电池的开路电压提高至0.69 V。峰值功率密度达到4.98 mW cm−2，几乎是裸Ge系统的两倍。即使在弯曲后100次循环后，机械柔性依然保持良好，电池能够稳定驱动LED灯或数字手表。与现有锗空气电池系统相比，Cu-PVDF@Ge系统展示了更高的功率密度。

Developing a Polymer-Anchored Hierarchical Anode to Suppress Passivation-Corrosion and Boost Reaction Kinetics toward Flexible Ge-Air Batteries.

胡素娟教授简介：胡素娟，教授/硕导，化学化工学院副院长，云南省金属有机分子材料与器件重点实验室副主任，云南省“兴滇英才支持计划”青年人才，云南省科技专家。科研方向为硅/锗/锌/锡基空气电池和燃料电池等。近五年，主持国家自然科学基金面上、青年和地区项目3项，省部级项目6项，获云南省自然科学三等奖1项，以第一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Energy Stor. Mater.、Coordin. Chem. Rev.、Carbon Energy、Chem. Eng. J.、Chin. Chem. Lett.等高水平中科院一区期刊上发表论文50余篇，编著教材教辅2部，授权国家发明专利2件，担任中科院一区《Rare Metals》期刊杰出青年编委。获校本科一流课程立项1门，指导本科生和研究生获国家级/省级科研项目立项共计10项，指导本科生和研究生竞赛获一等奖等共计5项。

李智勇，昆明学院化学化工学院2024级硕士研究生，研究方向为锗空气电池的性能与应用。