中國科大在鈉離子電池高性能磷基負極材料研究中取得進展

　　近日，中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院教授余彥課題組通過構(gòu)筑氮摻雜微孔碳負載無定型紅磷，利用其電子及離子導電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性三者增強協(xié)同效應，實現(xiàn)了磷基負極材料在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)工作以Confined Amorphous Red Phosphorus in MOF-Derived N-Doped Microporous Carbon as a Superior Anode for Sodium-Ion Battery 為題發(fā)表在《先進材料》上(Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201605820)。

　　鋰離子電池由于具有比能量高、循環(huán)壽命長及環(huán)境友好等特點，在便攜電子設備以及電動汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應用。然而，隨著鋰離子電池需求量的增加，其所需鋰資源本身的稀缺性以及地域分布不均勻性等問題日益凸顯，使得鋰離子電池在大規(guī)模儲能方面的應用受到了極大的限制。相比而言，鈉具有資源儲量豐富、分布廣泛和成本低廉等特點，使得最近鈉離子電池逐漸發(fā)展為替代鋰離子電池的首選。但是，由于鈉離子具有較大的離子半徑（鈉離子：0.98 Å，鋰離子：0.69 Å），使得其動力學過程較為緩慢，電化學性能難以滿足實際應用需求。因此，鈉離子電池的研究依然集中在發(fā)展具有高電化學性能的電極材料。

　　針對負極材料，紅磷由于具有非常高的理論比容量（2595mAh/g），并且具有價格低廉、環(huán)境友好等特點，逐漸發(fā)展為負極材料研究的重點。但是，其本身低的電子電導和循環(huán)過程中巨大的體積變化，使得其電化學性能在短時間的循環(huán)過程中就會發(fā)生惡化，難以滿足實際應用的要求。余彥課題組針對紅磷電極材料的關(guān)鍵問題，前期通過構(gòu)建有序介孔碳材料負載紅磷的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了磷基材料在儲鋰（鈉）性能上的提升（NanoLett.,2016,16(3),pp1546–1553）?；谇捌诠ぷ骰A，該課題組針對鈉離子電池的需求，進一步提升了磷基材料的儲鈉性能。利用金屬—有機框架材料獨特的結(jié)構(gòu)，通過碳化制備了氮摻雜的微孔碳材料（孔徑小于nm），并且通過磷蒸汽轉(zhuǎn)化的方法，制備了氮摻雜微孔碳負載紅磷的復合材料。此結(jié)構(gòu)設計巧妙地利用了氮摻雜微孔碳材料的微孔結(jié)構(gòu)以及高的電子電導，在增強紅磷電子電導的同時極大地緩解了體積變化效應，最終實現(xiàn)了電化學性能的大幅度提升。當應用于鈉離子電池時，整體材料的可逆容量在150mA/g的電流下達到了600mAh/g，并且實現(xiàn)了大電流（1A/g）下超長壽命循環(huán)性能，在1000次循環(huán)后依然保持了450mAh/g的可逆容量。

　　由于該材料表現(xiàn)出的長循環(huán)壽命和高容量性能，該材料有望應用于未來高性能的鈉離子電池中。并且，這種結(jié)構(gòu)的設計可以作為一種普適方法，為其他電化學材料的設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，中國科大為第一單位。該工作得到了中組部“青年千人計劃”、自然基金委、中央高?；究蒲袠I(yè)務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。

中國科大在鈉離子電池高性能磷基負極材料研究中取得進展