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有序介孔碳负载红磷:新一代高性能锂(钠)离子电池负极材料

( 2016-03-03 )

  近日,我系余彦教授课题组与中科院物理所合作,开发设计了一种有序介孔碳(CMK-3)负载红磷(P@CMK-3)的电极材料,实现了此负极材料在锂(钠)离子电池中的长循环性能及高倍率性能的突破,相关结果以“Amorphous Red Phosphorus Embedded in Highly Ordered Mesoporous Carbon with Superior Lithium and Sodium Storage Capacity”为题发表在《纳米快报》(Nano Letters, 2016,DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03903)。

  锂离子电池作为高性能储能装置,已经在便携电子设备和电动汽车中得到了广泛的应用。而便携电子设备及电动汽车的高速发展也对锂离子电池提出了更严苛的要求:更高的能量密度,更久的使用寿命,更快的充电时间及更大的放电电流。另一方面,由于锂资源比较匮乏并且地壳中储量分布不均衡,使得锂离子电池成本居高不下。相比较而言,钠在地壳中不仅储量多并且分布广泛,价格低廉。钠离子电池作为替代锂离子电池的首选,已经得到的广泛的关注。但是,由于钠离子半径(0.98 Å)大于锂离子半径(0.69 Å),导致其在电极材料体相的脱嵌过程不但较为缓慢,而且会使电极材料产生巨大的体积变化后结构塌陷,最终导致电池循环性能以及倍率性能的恶化。因此,寻找成本低廉且性能优异的钠离子电池电极材料是实现钠离子储能电池实际应用的关键之一。

  近来,红磷作为新型锂(钠)离子电池负极材料,受到了广泛的关注。它不但具有极高的理论容量(2595 mAh/g),远远高于传统石墨(理论容量372 mAh/g)类电极材料),而且价格低廉、环境友好。但是,红磷本身的低电子电导和充放电过程中的巨大体积变化,会导致电极性能的恶化,限制了其实际应用。

  

    余彦教授所在团队利用磷蒸汽转化的方法,将红磷灌注在CMK-3的有序介孔中,巧妙的利用了CMK-3的多孔结构和高电子电导,在提高红磷电子电导的同时兼顾了缓解充放电过程中体积变化,故而大大提高了材料的可逆电化学性能。当应用与锂离子电池和钠离子电池时,这种材料分别可以实现1000个循环后可逆容量1150 mAhg-1 (5C)和210个循环后可逆容量1020 mAhg-1 (5C)。

  该材料表现出的长循环寿命和高容量性能有望应用于高性能的锂(钠)离子电池中。这种结构的设计可以作为一种普适方法,拓展至其他具有相似反应机理的电极材料(如Si基材料)的研究中。为其他电化学材料的设计和研究提供一种新的研究思路。

  论文第一作者为博士研究生李维汉,中国科学技术大学为第一单位。该工作得到了中组部“青年千人计划”、自然基金委、新世纪优秀人才计划、中国科学技术大学创新团队培育基金、中央高校基本科研业务费专项资金资助以及苏州纳米科技协同创新中心的大力支持。

  相关文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b03903


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