Advanced Functional Materials:独特的三维化学交联结构:高稳定性黑磷与碳纳米管复合材料用于锂离子电池

具有高工作电压、高能量密度和优异循环稳定性的锂离子电池因其可以用于便携式电子设备和电动汽车等诸多储能领域而备受推崇。目前,常用的锂电池负极材料在储能过程中依然面临着许多急需解决的问题,比如传统的石墨基材料理论容量不高(372 mAh/g);一些过渡金属氧化物和硅等面临着工作电位高、锂扩散率低、不可逆容量大等问题; 同时, 特别是很多活性电极材料在重复的充放电过程中会发生体积膨胀和部分不可逆金属化物的形成,而造成其电极结构被破坏,循环稳定性变差,电子传导通路被阻断,以及整体储能量降低等不利影响。因此,为了满足市场对高性能储能装置的需求和解决目前出现的诸多难题,有必要开发一些循环寿命稳定、比容量大的先进负极材料。

近日,吉林大学王丽丽副教授与韩炜教授课题组利用具有高理论储锂容量(2596mAh/g)的新兴二维材料黑磷作为研究的重点,同时引入导电性能优异的碳纳米管,使用化学交联的方法,成功制备了一种具有独特稳定三维导电结构的黑磷和碳纳米管复合物(BP@CNTs),并将其用作锂离子电池负极材料。BP@CNTs杂化材料表现出高储锂容量、高电子电导率和稳定的循环性能,这是因为内部化学交联的碳纳米管材料成功的与二维层状黑磷通过化学键(P-C、P-N-C、P-O-C等)稳定地结合在一起,同时形成一种3D互联结构,既能够束缚储能过程中BP体积膨胀而带来的结构崩塌,又能够为电子和离子的运输提供新的通道。此外,作者通过缜密的计算和电化学分析来研究多磷化物在储能过程中不同阶段的结构与稳定性的变化,发现复合材料在储能过程中都能够对锂离子保持较强的结合能力,探究出材料性能得到提升的深层原因。由复合材料制备的锂离子电池在与其它黑磷基电池的性能对比中展现出优势,能够点亮二极管,这说明该材料有希望实现实际应用。

该课题组通过深入的思考锂电材料储能过程中面临的实际问题,依靠创新性的思维开发和探索出新实验方法,得到具有独特的三维化学交联结构的具有高储锂容量、高电子电导率和稳定的循环性能的黑磷碳纳米管复合材料。此项研究克服了黑磷材料储能过程中出现的体积膨胀和导电性下降等问题,开发了其实际应用的潜力。BP@CNTs杂化材料用于锂离子电池性能的提升,具有容量大、导电性好、结构稳定性高、循环寿命长等优点。这些结果表明,使用具有独特结构的复合材料用于锂离子电池电极材料能够取得很好的实用性效果。

研究者相信,此项研究将为以后为锂离子电池的电极材料的选择、电极材料稳定性的提升、以及理论分析和应用等方面研究提供一些新的思路。相关论文以 “3D Chemical Cross-Linking Structure of Black Phosphorus@CNTs Hybrid as a Promising Anode Material for Lithium Ion Batteries” 为题在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201909372)上,吉林大学物理学院博士生张煜浦是论文的第一作者,王丽丽副教授和韩炜教授为共同通讯作者。