近年来，便携式电子设备的推广及高度集成化、小型化的发展趋势，对可充电锂离子电池性能的要求越来越高。对锂离子电池而言，负极材料是影响电池整体性能的重要因素。作为传统商用锂电池负极的石墨材料，其较低的比容量阻碍了锂离子电池的进一步发展。
因此，寻找具有高比容量和优异循环及倍率性能的新型负极材料对于开发下一代高性能锂离子电池至关重要。作为一种典型的四元固溶体材料，(Ga1-xZnx)(N1-xOx)（GaZnON）具有稳定的六方纤锌矿结构。此外，电负性较小N原子的引入，使得Zn 3d和N 2p轨道之间存在相互作用，从而在不改变导带底位置的情况下，降低价带顶的位置，提高电子转移效率。
此外，更稳定的化学性质也有利于其在恶劣的电化学反应环境中使用。但是，传统固相氨化反应会导致GaZnON纳米颗粒形态和组分的分布不均匀。同时，较小的比表面积阻碍GaZnON与电解液的充分接触，导致可参与反应的活性位点相对较少，制约其在锂离子电池中的进一步应用。
为解决这些问题，广州大学王家海教授团队联合香港科技大学邵敏华教授合作，在国际顶级期刊Nano Energy（影响因子：17.881）上发表研究论文（孙长龙博士后为第一作者，广州大学为第一单位，王家海教授和邵敏华教授为共同通讯），该工作利用氧化石墨烯表面含氧基团作为金属离子吸附活性位点的原理，得到石墨烯复合GaZnON纳米颗粒，利用内建电场的调控作用，增强GaZnON与石墨烯间界面耦合作用，并充分利用GaZnON的结构优势与石墨烯良好导电性之间的协同效应，增强GaZnON电化学性能。理论计算研究进一步表明，石墨烯复合GaZnON表面电子发生聚集并进行重新分布，从而促进电荷迁移，增进表面耦合作用，通过表面工程设计的界面结构，不仅能增强GaZnON表面电子密度，还能极大提高充放电过程中的电荷迁移扩散效率，降低锂离子迁移能带壁垒，增强电池倍率和循环等电化学性能。
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Simultaneous interfacial interaction and built-in electric field regulation of GaZnON@NG for high-performance lithium-ion storage
Changlong Sun, Fuzhou Chen, Xiaofu Tang, Dongdong Zhang, Ke Zheng, Guang Zhu, Usman Bin Shahid, Zili Liu, Minhua Shao, Jiahai Wang
Nano Energy, 2022, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107369
团队负责人简介
王家海，广州大学化学化工学院教授、研究生和博士后导师，2008年5月美国University of Florida化学学院毕业，师从Charles R. Martin；2008年5月至2009年1月，美国约翰霍普金斯大学化学生物工程系博士后，从事微纳米器件加工课题，致力于智能器件的设计及其应用性能的探讨；2009年1月至2014年8月，分别在中科院苏州纳米所和长春应用化学研究所任副研究员，从事体外诊断纳米孔检测相关的技术开发。2014年10月加入山东大学，任研究员，从事氢能源催化剂材料的开发。2017年至今加入广州大学，百人计划教授。入选中国科学院首批促进会会员，广州市高层次青年后备青年人才，全球顶尖十万科学家之一。目前团队研究方向包括能源催化材料、锂电池、生物化学传感器、纳米孔单分子计数器和5G通讯。代表性成果发表在Advanced Materials、Biosensor and Bioelectronics、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters等国际著名期刊上。
https://www.x-mol.com/groups/jhwang
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