Small:原位生长CoP3/CP/CoO/NF自支撑负极构筑高比容量锂离子电池

商业化石墨负极的理论储锂容量只有372 mAh/g,远远不能满足目前移动设备和电动汽车迅猛增长的储能需求。过渡金属磷化物具有高理论容量和较低的反应电位,是一种理想的负极材料。但较差的导电性和循环过程中严重的体积膨胀限制其实际应用。碳材料具有可调谐的导电性和长循环结构稳定性,利用两者的协同作用并结合合理的材料结构设计制备过渡金属磷化物和碳的复合材料是改善磷化物材料储锂性能的重要方法。

宁夏大学李海波课题组根据这一思路,原位生长CoP3/CP/CoO/NF纳米阵列作为自支撑锂离子电池负极,实现了高比容量负极材料的制备。相关结果发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201907468)上。

该研究团队首先在泡沫镍上原位生长蒲公英状CoO纳米线,以此为阳离子源制备高密度ZIF-67纳米阵列。磷化处理后,形成CoP3/CP/CoO/NF自支撑电极。内部的CoO纳米线加强了活性材料和集流体之间的结合并克服了传统无粘结剂电极活性材料容易脱落的问题。电化学测试表明CoO纳米线也参与了电化学反应,为锂离子和电子的转移提供良好的通道。磷化过程同时触发ZIF-67的碳化,衍生的碳多面体CP具有丰富的孔道结构和良好的导电性,较好地限制了CoP3循环过程中的体积变化。进一步地,限域分布在CP表面的CoP3提供了丰富的氧化还原位点,提高了材料整体的电化学性能。以上优点使得CoP3/CP/CoO/NF展现出高比容量和良好的倍率性能。在0.5 A/g的电流密度下,初始容量高达1714.8 mAh/g,首圈库伦效率为72.8%。借助非原位表征和第一行原理计算,对CoP3的储锂机制进行深入探索,发现首圈容量损失与CoP3独特的电化学行为有关。

该研究原位生长多层级纳米阵列的设计思路为其他高性能负极材料的制备提供参考和借鉴。