有序介孔碳負(fù)載紅磷：新一代高性能鋰(鈉)離子電池負(fù)極材料
時間：2021-04-12 23:47:02學(xué)院：化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院學(xué)校：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
近日，我院材料系余彥教授課題組與中科院物理所合作，開發(fā)設(shè)計了一種有序介孔碳（CMK-3）負(fù)載紅磷（P@CMK-3）的電極材料，實現(xiàn)了此負(fù)極材料在鋰(鈉)離子電池中的長循環(huán)性能及高倍率性能的突破，相關(guān)結(jié)果以“Amorphous Red Phosphorus Embedded in Highly Ordered Mesoporous Carbon with Superior Lithium and Sodium Storage Capacity”為題發(fā)表在《納米快報》（Nano Letters, 2016，DOI:?10.1021/acs.nanolett.5b03903）。
鋰離子電池作為高性能儲能裝置，已經(jīng)在便攜電子設(shè)備和電動汽車中得到了廣泛的應(yīng)用。而便攜電子設(shè)備及電動汽車的高速發(fā)展也對鋰離子電池提出了更嚴(yán)苛的要求：更高的能量密度，更久的使用壽命，更快的充電時間及更大的放電電流。另一方面，由于鋰資源比較匱乏并且地殼中儲量分布不均衡，使得鋰離子電池成本居高不下。相比較而言，鈉在地殼中不僅儲量多并且分布廣泛，價格低廉。鈉離子電池作為替代鋰離子電池的首選，已經(jīng)得到的廣泛的關(guān)注。但是，由于鈉離子半徑（0.98 ?）大于鋰離子半徑（0.69 ?），導(dǎo)致其在電極材料體相的脫嵌過程不但較為緩慢，而且會使電極材料產(chǎn)生巨大的體積變化后結(jié)構(gòu)塌陷，最終導(dǎo)致電池循環(huán)性能以及倍率性能的惡化。因此，尋找成本低廉且性能優(yōu)異的鈉離子電池電極材料是實現(xiàn)鈉離子儲能電池實際應(yīng)用的關(guān)鍵之一。?
近來，紅磷作為新型鋰(鈉)離子電池負(fù)極材料，受到了廣泛的關(guān)注。它不但具有極高的理論容量(2595 mAh/g)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)石墨(理論容量372 mAh/g)類電極材料),而且價格低廉、環(huán)境友好。但是，紅磷本身的低電子電導(dǎo)和充放電過程中的巨大體積變化，會導(dǎo)致電極性能的惡化，限制了其實際應(yīng)用。
余彥教授所在團(tuán)隊利用磷蒸汽轉(zhuǎn)化的方法，將紅磷灌注在CMK-3的有序介孔中，巧妙的利用了CMK-3的多孔結(jié)構(gòu)和高電子電導(dǎo)，在提高紅磷電子電導(dǎo)的同時兼顧了緩解充放電過程中體積變化，故而大大提高了材料的可逆電化學(xué)性能。當(dāng)應(yīng)用與鋰離子電池和鈉離子電池時，這種材料分別可以實現(xiàn)1000個循環(huán)后可逆容量1150 mAhg-1?(5C)和210個循環(huán)后可逆容量1020 mAhg-1?(5C)。
該材料表現(xiàn)出的長循環(huán)壽命和高容量性能有望應(yīng)用于高性能的鋰(鈉)離子電池中。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以作為一種普適方法，拓展至其他具有相似反應(yīng)機(jī)理的電極材料(如Si基材料)的研究中。為其他電化學(xué)材料的設(shè)計和研究提供一種新的研究思路。
論文第一作者為博士研究生李維漢，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為第一單位。該工作得到了自然基金委、新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊培育基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助以及蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心的大力支持。
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