崔光磊研究员、董杉木研究员，Angew观点：界面氢化锂演化诱导Ge负极失效新机制

第一作者：陈国栋，孙金燃

通讯作者：崔光磊*，董杉木*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

便携式电子设备和新能源汽车的不断发展对锂离子电池的能量/功率密度和循环寿命提出了越来越高的要求。与传统负极材料相比，硅、锗、锡等合金负极材料具有较高比容量，是构筑高能量密度电池的理想材料。特别是锗，其兼具高比容量（1568 mAh g^-1）和高倍率的性能。然而，Ge负极存在严重的活性锂损失和容量保持性差的问题，这严重阻碍了其商业应用。以往研究主要认为合金类负极失效的核心在于体积形变带来的电极粉化以及活性锂损失，然而锗锂化时体现各向同性，故其结构并不像硅类材料（锂化各向异性）一样脆弱，所以该失效机制并不完全适用于锗负极。显然，深入探究锗负极的失效机制是解决锗负极循环稳定性问题的的基础和关键。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊研究员、董杉木研究员等人利用在线质谱技术与高分辨透射电镜测试手段，结合电化学性能的关联分析，揭示了Ge合金负极的失效新机制。其追踪了锗负极界面上LiH的演化规律并首次确认Li₄Ge₂H是锗界面SEI的关键组分，并进一步证实了Ge负极的失效来自于氢化锂和锗的之间不断反应造成差导电相Li₄Ge₂H的不断累积。

锗(Ge)作为一种快速充电、高比容量(1568 mAh g⁻¹)的合金负极，其可循环性较差，极大地阻碍了其实际应用。到目前为止，对循环性能下降的理解仍然难以捉摸。与传统观点相反，失效负极中的大多数Ge颗粒仍然保持良好的完整性，并且没有发生严重粉化。研究表明锗负极中氢化锂与锗的电化学行为呈现明显关联性，MS结果表明氢化锂在锗负极锂化时累积，脱锂时减少。而这正是因为氢化锂和锗相（脱锂态）之间的反应造成的，其反应形成的新组分将是影响负极失效的关键。

在循环过程中，明显观察到Li₄Ge₂H在锗颗粒上的不断累积，SEI显著增厚。借助球磨、质谱和高分辨电镜对LiH和Ge的反应进行了验证，通过在Ge表面形成Li₄Ge₂H相证实其对锂离子脱嵌的阻碍作用。累积的Li₄Ge₂H会严重干扰负极的离子输运和电子传输，进而导致负极失效、活性锂损失，恶化循环稳定性。

Revealing Capacity Degradation of Ge Anode Triggered by Interfacial LiH Evolution

崔光磊 研究员简介：中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师，国家新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，国家“万人计划”，科技部中青年科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家。近几年主要从事下一代高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志发表文章300余篇，他引20000多次。

董杉木 研究员简介：中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师，牛津大学青年访问学者。主要从事下一代高比能锂金属电池研究，作为负责人承担国家重点研发计划子课题项目、中科院先导专项子课题项目、山东省重点研发计划项目及中科院青年创新促进会项目。在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志发表文章100余篇，他引10000多次。

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