Advanced Energy Materials:利用碳纳米管缠绕CoP@C⊂Carbon框架构建分层结构以实现高效储锂

基于转化反应机理的过渡金属磷化物(TMP),由于其较高的比容量优于传统的插层材料,因而引起了人们越来越多的关注。然而,因转化反应的相转变和反应过程中的大体积变化而经常遇到循环过程中容量迅速衰减的问题。此外,磷化物的制备要比金属氧化物或硫化物困难得多,合成过程中普遍会产生有毒物质。为了解决这一系列问题,人们做出了巨大的努力。一种有效的方法是用多孔碳框架组装纳米结构和复合材料,这有利于电解质的渗透和减缓膨胀;还可以提供离子和电子传输通道,缩短扩散长度,从而改善反应动力学和电极结构的稳定性。

近日,山东大学化学与化工学院奚宝娟课题组通过一种自模板-自催化的策略合成出一种由碳纳米管缠绕的碳包覆磷化钴嵌入一维多孔碳形成的复合材料(CoP@C⊂PCF/NCNTs),该材料结构上具有多级的层次结构,集合了碳纳米管与一维多孔微纳材料的优点,实现了较好的储锂性能。相关成果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201902913)上。

在材料设计上,与以往的制备路线相比,其合成路线有了一定的突破。通过Co纳米颗粒催化g-C3N4转化,原位生长碳纳米管于一维CoP@C核壳结构。一维多孔碳骨架有利于较快的离子和电子传输,能够保持电极结构稳定并有效缓解体积膨胀,内部核壳结构可以防止CoP颗粒的聚集,外表原位生长的碳纳米管提供了交错的导电网络促进电解质的渗透和电荷的传输。得益于独特的多级纳米结构和组成特点,CoP@C⊂PCF/NCNTs 作为锂离子电池的负极材料表现出优异的电化学存储性能,包括优异的循环和倍率性能,测试结果表明,在0.5 A/g的电流密度下循环700圈仍具有712 mAh g−1的放电容量,当电流密度提高到2 A/g,能循环超过1000圈并保持316 mAh g−1的可逆容量。即使在5 A/g的高倍率下仍能保持230.6 mAh/g的比容量。当组装成全电池后,在0.2 A/g的电流密度下可循环100圈并保持113 mAh g-1的比容量。

研究者相信,该工作中构建层次结构的方法,将一级和二级结构整合,不但为合成具有可调结构与组成的复杂层级架构提供了一种新思路,在改善相关磷基负极材料的性能方面也起到一定的促进作用。相关工作得到国家自然科学基金、山东大学青年学者未来计划、中国博士后科学基金会、山东省泰山学者项目的支持。