磷基負(fù)極材料在鈉離子電池中長(zhǎng)循環(huán)性能取得突破

  中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)實(shí)現(xiàn)了磷基負(fù)極材料在鈉離子電池中的長(zhǎng)循環(huán)性能及高倍率性能方面的突破，為其他電化學(xué)材料的設(shè)計(jì)和研究提供一種新的研究思路，該材料有望應(yīng)用于未來(lái)高性能的鈉離子電池中。
  近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授余彥課題組通過(guò)構(gòu)筑氮摻雜微孔碳負(fù)載無(wú)定型紅磷，利用其電子及離子導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性三者增強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了磷基負(fù)極材料在鈉離子電池中的長(zhǎng)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(jìn)材料》上。
  鋰離子電池由于具有比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)及環(huán)境友好等特點(diǎn)，在便攜電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(wèn)題日益凸顯，使得鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用受到了極大的限制。相比而言，鈉具有資源儲(chǔ)量豐富、分布廣泛和成本低廉等特點(diǎn)，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(dòng)力學(xué)過(guò)程較為緩慢，電化學(xué)性能難以滿足實(shí)際應(yīng)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(xué)性能的電極材料。
  針對(duì)負(fù)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(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，逐漸發(fā)展為負(fù)極材料研究的重點(diǎn)。但是，其本身低的電子電導(dǎo)和循環(huán)過(guò)程中巨大的體積變化，使得其電化學(xué)性能在短時(shí)間的循環(huán)過(guò)程中就會(huì)發(fā)生惡化，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。余彥課題組針對(duì)紅磷電極材料的關(guān)鍵問(wèn)題，前期通過(guò)構(gòu)建有序介孔碳材料負(fù)載紅磷的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了磷基材料在儲(chǔ)鋰(鈉)性能上的提升(NanoLett.,2016,16(3),pp1546–1553)。基于前期工作基礎(chǔ)，該課題組針對(duì)鈉離子電池的需求，進(jìn)一步提升了磷基材料的儲(chǔ)鈉性能。利用金屬—有機(jī)框架材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，通過(guò)碳化制備了氮摻雜的微孔碳材料(孔徑小于nm)，并且通過(guò)磷蒸汽轉(zhuǎn)化的方法，制備了氮摻雜微孔碳負(fù)載紅磷的復(fù)合材料。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dǎo)，在增強(qiáng)紅磷電子電導(dǎo)的同時(shí)極大地緩解了體積變化效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)性能的大幅度提升。當(dāng)應(yīng)用于鈉離子電池時(shí)，整體材料的可逆容量在150mA/g的電流下達(dá)到了600mAh/g，并且實(shí)現(xiàn)了大電流(1A/g)下超長(zhǎng)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(zhǎng)循環(huán)壽命和高容量性能，該材料有望應(yīng)用于未來(lái)高性能的鈉離子電池中。并且，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以作為一種普適方法，為其他電化學(xué)材料的設(shè)計(jì)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(guó)科大為第一單位。該工作得到了中組部“青年千人計(jì)劃”、自然基金委、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)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(guó)科大在鈉離子電池高性能磷基負(fù)極材料研究中取得進(jìn)展