“合金”为先进储能开辟新途径，科学家制备高熵合金负极材料，将锂离子电池放电容量提升至1500mAh/g以上

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来源：DeepTech深科技

海南，是新能源汽车的“试验宝地”。针对此，海南大学材料学院韦雅庆副教授可能是最有发言权的人之一。

他表示，一方面新能源动力电池的运行服役，会受到极端低温环境和恶劣天气的影响，这会导致电池性能无法得到有效发挥。然而，海南光温充足、气候温和，这能有效保证电池的稳定运行。

此外，海南岛全岛面积 3.39 万平方公里，从海口到三亚仅有 285 公里，完全在新能源电动汽车的续航里程范围内。

他继续说道：“开着新能源电动车在海南环岛自驾游已经变得颇受欢迎。因此，作为海南岛的一名科研人员，我们在这里开展新能源车用动力电池的研究也具有重要的现实意义。并且，这类科学研究源于生活需求，最终又服务于日常生活中。”

而就在前不久，韦雅庆和团队成功解决了锂离子电池合金型负极材料面临的两大难题：首次库伦效率较低、以及体积膨胀导致容量快速衰减的问题。

研究中，受到高熵合金新理念的启发，课题组把高熵效应引入合金型负极材料中，将单一高纯单质拓展至高熵合金体系，有效缓解了上述两个难题。

审稿人也予以较高的评价，其认为：“本工作是锂离子电池合金型负极材料的重要转折点，对合金型负极材料的进一步发展具有重要的里程碑意义。”

在应用前景上：

首先，该成果可以提升新能源电动汽车的续航能力：作为电动汽车的首选电源，高熵合金负极材料的研发将极大地提高锂离子电池的能量密度，从而进一步提升新能源电动汽车的续航里程。

其次，该成果可以助力新兴产业领域的崛起与发展：其将极大地提高锂离子电池的容量，并能逐渐拓展至电动船舶、电动无人机、电子机器人、军用雷达、航天空间站等高端科技产品，推动高科技新兴产业的快速发展。

最后，该成果还能促进电子消费产品的持久循环使用：它能够极大提高锂离子电池的能量密度，进而用于手机、笔记本电脑、电子手表、数码相机等消费电子产品和电动工具，最终有效提升其待机时长和循环寿命。

为开发大容量、高性能负极材料，提供技术借鉴

如今，随着清洁能源的有效利用和日益增长的能源需求，高能量密度锂离子电池的开发具有重要的现实意义，也是推进电子设备和新能源电动汽车快速发展的主要环节。

传统高熵合金均为过渡金属元素 Co、Cr、Fe、Ni 等，作负极时并无储锂活性，无法贡献出放电容量，因此无法应用于合金型负极。

具体来说：相比于石墨（372mAh/g）而言，以 Si 基（4200mAh/g）为代表的合金型材料具备较大的放电容量和较高的储锂活性，故在锂离子电池中具有良好的应用前景，但其依旧面临如下挑战：

其一，巨大的结构应力应变和体积膨胀效应，会导致容量的快速衰减；

其二，较低的首次库伦效率（ICE<75%）无法满足商业化需求。

尽管采取常规性的碳材料复合策略，可以缓冲体积膨胀、提高循环稳定性，但却是以牺牲电极能量密度为代价，并且无法提高合金型单质的首次库伦效率。就能量密度和可逆性而言，常规性碳材料复合策略不再适用于合金型负极材料。

近几年来，凭借优异的导电性和独特的高熵效应，高熵合金在能源催化和存储领域引起广泛关注，在上述难题的解决上被寄予厚望。

基于此，韦雅庆等人摒弃常规性的碳材料复合策略，通过引入高熵合金的理念，将单组分合金型单质拓展到多元、多活性高熵合金体系。

进一步地，他们利用高熵合金元素间分阶段、多层次、多平台协同配合，避免了单一组分的集中式体积爆发，让其循环稳定性得到有效提升，从而取得了和碳材料复合策略一样出色的实验效果。

此外，课题组通过高熵合金晶格畸变缓慢扩散的特点、元素组分间分阶段、以及多层次锂化特性缓冲的体积膨胀，让电池循环寿命也得以改善。

最终，通过成分设计和比例调控等手段，该团队开发出一种新型 ZnxGeyCuzSiwP2 固溶体合金。

当用作锂电负极时，该系列的 ZnxGeyCuzSiwP2 固溶体合金均表现出较大的放电容量（>1500mAh/g）、较低的电压平台（0.5V）、以及较高的首次库伦效率（ICE>85%）。

其中，等比例固溶的 Zn0.5Ge0.5Cu0.5Si0.5P2 材料具有最大的构型熵，故能发挥出最高的首次库伦效率（ICE=93%）、最小的体积膨胀系数（34.5%）、最快的 Li+ 扩散系数（1.11´10-10）、以及最为优异的快充倍率性能（6.4A/g，551mAh/g），在 LiCoO2//Zn0.5Ge0.5Cu0.5Si0.5P2 全电池中也得到有效验证。

同时，单质半导体到高熵合金金属导电性的提高，也额外提升了首次库伦效率和倍率性能，这能推动合金型负极材料的进一步发展，为开发大容量、高性能负极材料，提供重要的理论指导和技术借鉴。

可以说，五元 ZnxGeyCuzSiwP2 高熵合金的研发，证明“合金型负极高熵化”的确能提升合金型负极材料的循环寿命、首次库伦效率和倍率性能的稳定提升。

韦雅庆副教授担任共同一作兼共同通讯，硕士生姚润哲、刘旭豪是共同第一作者，该校的李德教授和陈永教授担任共同通讯作者 [1]。

受此启发，课题组下一步将以五元 ZnxGeyCuzSiwP2 为出发点，进一步引入原子半径相似、电负性相近的 Sn、Mg、Al、Sb 等元素，将其拓展至六元、七元、八元等多元高熵合金体系。

希望借此可以增加这一系列高熵合金的阳离子无序度和构型熵，以期有效提升其作为锂离子电池负极材料的电化学性能，推动“合金型负极高熵化”体系的进一步发展和实用化。

据了解，韦雅庆今年只有 30 岁，来自于广西南宁。而他从本科至今的脚步，始终活动在中国南方。他是海南大学的本科校友，如今又成为这里的老师。哪怕曾被保送到中部的华中科技大学读博，却也在几年后返回母校工作。

而作为一名长期 base 在海南的科研人员，韦雅庆也有了更多的盼头。他说：“随着‘碳中和’‘碳达峰’政策的提出，以及建设‘海南自由贸易港’这一项国家重大战略规划的整体推进，新能源电动汽车的迅猛发展，在全国市场占据越来越重要的地位和份额，并有望取代燃油车成为新时代交通工具的主流。因此，在海南开展新能源材料与器件、以及车用动力电池的研究，我和团队也将拥有更多的优势。”

1.Wei, Y., Yao, R., Liu, X., Chen, W., Qian, J., Yin, Y., ... & Chen, Y. (2023). Understanding the Configurational Entropy Evolution in Metal‐Phosphorus Solid Solution for Highly Reversible Li‐Ion Batteries.Advanced Science, 10(9), 2300271.

好了，关于为先进储能开辟新途径，科学家制备高熵合金负极材料，将锂离子电池放电容量提升至1500mAh/g以上就讲到这。