说起Ge和Si还有一段传奇佳话，据说当年半导体产业发展时也曾面临Si和Ge的竞争，只不过最后Si材料胜出，否则今天我们用的芯片恐怕都是Ge材料做的。Ge已经失去了半导体的阵地，而在储能领域Ge如今的地位也是摇摇欲坠，Ge在嵌锂的过程中也面临着与Si同样的体积膨胀的问题，因此寿命衰降极快。近日，河南商丘师范学院的魏伟博士通过将Ge量子点与纳米碳纤维复合的方式很好的解决了Ge负极体积膨胀大的问题，实现了1204mAh/g可逆容量（电流密度200mA/g），循环100次容量保持率可达87.1%，目前该成果已经发表在了《Nanoscale》杂志上。

Si负极在完全嵌锂后体积膨胀高达300%，为了减少Si负极膨胀造成的颗粒粉化，纳米化和Si-C复合是常用的方法，在解决Ge负极魏伟博士也借鉴了这一经验，采用静电纺丝技术将尺寸为4-7nm的Ge量子点，混合到纳米碳纤维的微孔之中（孔径10-150nm），很好的解决了Ge在嵌锂过程中体积膨胀对电极结构造成的破坏，改善了Ge负极的循环性能。

　　下图为碳纳米纤维CNFs（图a，b）和Ge／碳纳米纤维（图c、d）的SEM图，从图中可以看到纳米碳纤维的直径在400-600nm，碳纤维内微孔的直径在10-150nm左右，Ge量子点分散在这些微孔之中，通过EDS元素分布分析可以发现Ge元素在纳米碳纤维之中的分布非常均匀，Ge／CNFs独特的结构保证了材料良好的电化学性能。

　　为了进一步分析Ge/CNFs的化学组成，魏伟博士利用XPS对上述材料进行了元素的价态分析（如下图所示），从下图b可以看到Ge 3d在29.1eV处有一个明显的峰，这表明材料中的Ge是以金属态存在的。在30.8eV负极的微弱的峰表明部分Ge与N元素形成Ge-N键。下图b中其284.6eV处强烈的峰为C 1s峰，而286.9eV处的峰则表明C-N键的存在。N元素的存在会带来两个好处：1）首选N元素能够降低材料的电子阻抗和离子阻抗；2）其次，N元素能够有效的降低材料的极化。Ge元素在材料中的含量可以通过热重反应获取（如下图f所示），测试表明Ge/CNFs材料中Ge元素的含量为40.6%左右。

　　下图a为Ge/CNFs材料的循环伏安测试结果，在首次嵌锂过程中0.5-0.0V出现的宽阔电流峰主要是Li-Ge合金化，而在脱锂过程中在0.67V出现了一个电流峰，对应的为去合金化反应。下图b为Ge/CNFs的充放电曲线，可以看到材料的可逆容量达到1204mAh/g，远远高于石墨材料，但是我们也注意到该材料的首次不可逆容量达到了577mAh/g，首次库伦效率仅为67.6%。下图c为几种不同的材料的循环性能测试结果（电流密度200mA/g，循环100次），从图中我们看到Ge/CNFs材料表现出了优异的循环性能，循环100次容量保持率达到87.2%。

　　下图d为不同材料的倍率性能测试结果，从图上可以看到当电流密度提高到200、1000、2000和3000mA/g，材料的容量发挥分别可以达到1150、1050、920和760mAh/g，表现出了非常优异的倍率性能。

　　Ge基负极的应用面临着与Si基负极同样的体积膨胀大的问题，魏伟博士通过静电纺丝技术实现纳米Ge与纳米碳纤维均匀复合，很好的抑制Ge负极在嵌锂过程中的体积膨胀对活性物质结构的破坏，炭纤维的多孔结构也保证了Li+的扩散速度，改善了材料的倍率性能，同时其成果也能够为解决Si负极体积膨胀提供很好的借鉴。

　　提升锂离子电池的比能量离不开材料技术的不断进步，传统的石墨负极材料理论比容量仅为372mAh/g左右，目前一些改性人造石墨材料已经达到360mAh/g左右，继续提升的空间有限。针对高容量负极材料，目前市场上广泛看好的为Si基材料，包括SiOx和Si-C复合两大类材料，并且随着Si-C复合技术的提升，Si-C材料大有一统天下的趋势。在Si基材料独步天下的背景下，广大学者并没有放弃其他高容量材料的研发，例如金属硫化物，如MoS₂，金属氧化物，例如SnO，碳氮化合物，以及今天我们介绍的Ge基合金负极。