高性能钠离子电池磷基负极材料

近年来,钠离子电池因具有钠资源储量丰富,分布广泛和成本低廉等优势而受到越来越多的关注。但是,由于钠离子具有较大的离子半径(钠离子:0.98 Å,锂离子:0.69 Å),使得其动力学过程较为缓慢,电化学性能难以满足实际应用需求。因此,探索高容量长循环寿命的钠离子电池的电极材料是钠离子电池走向应用的关键之一。在众多负极材料中,红磷由于具有极高的理论比容量(2595 mAh/g),低廉的价格、环境友好等优点,逐渐发展为负极材料研究的重点。然而,当用于钠离子电池负极材料时,红磷其本身低的电子电导和循环过程中巨大的体积变化,会使得其储钠性能迅速恶化。

AM-yuyan

近日,中国科学技术大学余彦教授课题组设计构筑了氮掺杂微孔碳负载无定型红磷,利用多孔碳的高电子及离子导电性和结构稳定性三者增强协同效应,实现了磷基负极材料在钠离子电池中的长循环寿命及高倍率性能的突破。该课题组针利用金属-有机框架材料独特的结构,通过碳化制备了氮掺杂的微孔碳材料(孔径小于1 nm),并且通过磷蒸汽转化的方法,制备了氮掺杂微孔碳负载红磷的复合材料。此结构设计巧妙地利用了氮掺杂微孔碳材料的微孔结构以及高的电子电导,在增强红磷电子电导的同时极大了缓解了体积变化效应,最终实现了电化学性能的大幅度提升。当应用于钠离子电池时,可逆容量在150 mA/g的电流密度下达到了600 mA h/g, 并且实现了大电流(1 A/g)下超长寿命循环性能,在1000次循环后依然保持了450 mA h/g的可逆容量。

该材料表现出的长循环寿命和高容量,有望应用于未来高性能的钠离子电池中。并且,这种结构的设计可以作为一种普适方法,为其他储能材料的设计和研究提供一种新的研究思路。相关工作发表在Advanced Materials( DOI: 10.1002/adma.201605820)上。

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