一种优化磷基材料电化学性能的新思路

由于钠在地壳中有丰富的储量,约占2.74 %,且分布广泛,价格低廉,被认为是有可能替代锂离子电池用于大规模储能系统的首选新型电源技术,近年来引起广泛关注。目前关键的技术难题是找到与之匹配的电极材料。

在众多的负极材料中,红磷拥有七倍于商用石墨电极的理论比容量(2596 mAh g1),而且廉价易得,环境友好,被认为是很有研究价值的电池负极材料。但是,红磷存在低导电性和在充放电过程中体积膨胀等问题,制约了其在钠离子电池中的应用。针对这个问题,目前主要的应对手段是从控制红磷颗粒度大小和提高导电性两方面来着手的,而且也获得了很大的提高,但仍然存在一些问题有待解决。如简单的将红磷和碳材料机械混合的方法存在红磷颗粒度大,碳材料覆盖有限等问题;传统的气化-冷凝技术由于在磷气化过程中不可控因素导致红磷的负载量不高。

aenm-guozaiping

针对上述问题,澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong, UOW)郭再萍(Zaiping Guo)教授和陈俊(Jun Chen)副教授课题组提出了一种新型的气化重组技术,制备出碳/红磷/石墨烯气凝胶三维多孔复合材料。众所周知,石墨烯气凝胶具有孔隙率高、比表面积大、力学性能优异和导电性高等特点,并且一直被人们广泛关注。在该方法中,首先利用石墨烯气凝胶将红磷包裹在其中,然后采用气相沉积法将聚吡咯包在整个气凝胶上,最后在惰性气氛中快速的进行材料内部红磷的气化重组,并且快速冷却。在这个特殊的结构设计中,红磷(10-20nm)颗粒被包裹在石墨烯层和碳层中间,不仅提高了材料的导电性,而且很好的缓冲了电极材料在充放电过程中产生的体积膨胀,三维多孔结构也为电解液的充分浸润提供了条件。除此之外,由于对气化重组时间的控制和之后的快速冷却处理,可以有效的减少/防止白磷的生成,提高了安全性并且简化了实验过程。

此复合电极材料表现出了优异的储钠性能。在0.1C的电流密度下,经过100次循环后,这种复合材料能够保持1867 mA h g-1的容量。在1C的高电流密度下,经过200次循环后,仍然能够保持1095.5 mA h g-1的容量。本研究提供了一种气化重组的新思路,即在红磷、石墨烯气凝胶和聚吡咯形成的三维多孔前驱体中,进行可控的材料内部的气化重组,不仅大大的缩小了磷颗粒的尺寸,使得磷颗粒在三维结构内部均匀分布,而且在一定程度上提高了磷的负载量。磷基复合材料在经过这种新型的气化重组技术优化后,显示出了很高的比容量和高倍性能,在循环稳定性方面也得到的大大的提升。这种新型的气化重组技术的新思路还可以扩展到其他具有大的体积膨胀和可气化/相对低熔点的电极材料中。该研究成果发表在Wiley出版社Advanced Energy Materials杂志上(DIO: 10.1002/aenm.201601037)。

Speak Your Mind

*