浙江大学蒋建中教授课题组——超声法制备尺寸均匀镓基液态金属纳米液滴及其锂电池性能 | MDPI Materials

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通讯作者

蒋建中 教授

浙江大学材料科学与工程学院

博士生导师，主要研究方向为金属液体、块体金属玻璃、金属玻璃薄膜、同步辐射技术、高熵合金和相变等。在国际知名期刊发表论文500余篇。曾主持国家重点基础研究发展计划 (973计划)，国家高技术研究发展计划 (863计划)，国家自然科学基金委重大、重点、面上和主任基金项目，中德重大国际项目，浙江省重大、重点科技专项等项目。担任美国内华达里诺大学、日本东北大学、德国乌尔姆大学、德国 DESY 同步辐射国家实验室、澳大利亚新南威尔士大学、中国科技大学、厦门大学等高校教授或研究员。现任 Materials 期刊编委。

第一作者

黄成浩 博士研究生

浙江大学材料科学与工程学院

主要研究领域为镓基液态金属在储能和柔性器件中的应用。

文章导读

近年来，镓基液态金属由于其优异的电学、高导热和液体性能，被广泛应用于柔性器件、微流控、生物医药、柔性电极和储能等领域。然而，制备小尺寸且分布均匀的镓基液态合金纳米液滴仍是一项具有挑战性的工作。基于此，浙江大学蒋建中教授及其团队系统研究了不同工艺参数对制备镓基合金纳米液滴尺寸和分布的影响，成功制备了平均粒径为 74 nm、尺寸分布较窄的液态金属纳米液滴，并进一步对比研究了液态金属纳米液滴在锂离子电池中的性能。

研究过程与结果

小尺寸液态金属纳米颗粒的制备

作者系统地研究了超声功率、表面活性剂浓度、超声时间和溶剂温度对液态金属纳米液滴尺寸的影响 (如图1至图4所示)。通过对比研究可以得出，使 EGaIn 纳米液滴尺寸分布更小、更窄的方法有：

(1) 高振幅可为液态金属提供更多的能量，使液滴的破碎几率更高。

(2) 硫代表面活性剂能有效地阻止纳米液滴的氧化，并协助液滴切割到纳米级。虽然随着表面活性剂浓度的增加，液滴尺寸会减小，但较高的浓度很难使液滴尺寸进一步减小。因此，需使用适当浓度的表面活性剂。

(3) 与表面活性剂浓度相似，超声时间越长，平均粒径越小。然而，随着超声时间的增加，热量会积累，这将增加纳米液滴的尺寸。因此，随着超声时间的延长，液滴尺寸难以进一步减小，这是由于液滴破碎与重组达到了动态平衡。

图1. 不同超声功率制备的液态金属纳米液滴。

图2. 不同表面活性剂浓度制备的液态金属纳米液滴。

图3. 不同超声时间制备的液态金属纳米液滴。

图4. 不同超声方法制备的液态金属纳米液滴。

小尺寸分布液态金属纳米颗粒的制备

上述方法虽然有效的实现了小尺寸液态金属纳米液滴的制备，但是液态金属纳米液滴整体的分布范围还是较大。图5和图6表明，通过将纳米液滴在不同转速下分离可以得到尺寸分布较窄的纳米液滴。小尺寸液态金属纳米液滴的制备与分离有利于其进一步的研究与应用。

图5. 不同转速下得到的液态金属纳米液滴。

图6. 不同转速下得到的液态金属纳米液滴尺寸分布。

锂离子电池性能研究

作者将分离出的液态金属纳米液滴用作锂离子电池负极材料 (如图7所示)。在相同的测试条件下，液态金属纳米液滴表现出比块状液态金属更高的比容量、更好的倍率性能和循环稳定性。作者分析研究了纳米液滴性能优越性的原因：

(1) 纳米液滴较大的表面积增加了电活性材料的暴露面积，使更多的材料参与反应。

(2) 纳米液滴结构不仅有利于电解质的进入，而且减少了离子扩散传输距离，使离子在活性材料内扩散更快。

(3) 块状液态合金在完全锂化后体积膨胀很大，容易从集电器上脱落。纳米液滴有利于缓解锂化/去锂化过程中产生的应力。炭黑也有利于保护沉积在底部的纳米液滴不从电流收集器上脱落。

图7. 锂离子电池的机理图和性能图。

总结

本文系统地研究了利用超声法制备液态 EGaIn 合金纳米液滴过程中，不同工艺参数对制备 EGaIn 合金纳米液滴尺寸和分布的影响。作者对比研究了其锂电池电极性能，得出以下结论：

(1) 高功率、适宜的表面活性剂浓度、延长超声时间、降低溶剂温度有利于小尺寸纳米液滴的制备。

(2) 对纳米液滴进一步的离心分离可以得到小尺寸分布的纳米液滴。

(3) 在锂电池测试中，相对于块状液态金属，液态金属纳米液滴表现出优异的电化学性能。

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阅读英文原文

原文出自 Materials 期刊

Huang, C.; Zong, J.; Wang, X.; Cao, Q.; Zhang, D.; Jiang, J.-Z. Production of Uniformly Sized Gallium-Based Liquid Alloy Nanodroplets via Ultrasonic Method and Their Li-Ion Storage. Materials 2021, 14, 1759.

   Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊主要关注材料科学与工程研究相关领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等。

2021 Impact Factor	3.748
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	16.5 Days
Time to Publication	38 Days

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