Advanced Science:MOFs衍生的碳包覆Cu3P/Cu高密度锂离子电池负极材料

近年来,过渡金属磷化物(TMPs, 如CoP, Ni2P, FeP等)已成为锂离子电池负极材料的研究热点。磷化亚铜(Cu3P), 尽管理论比容量接近于商业化锂离子电池负极材料——石墨(Cu3P为363 mAh g-1,石墨为372 mAh g-1), 但由于较高的材料密度, Cu3P的体积比容量约为石墨的三倍(Cu3P为3020 mAh cm-3, 石墨为830 mAh cm-3), 有望成为替代石墨的负极材料。同时, 相对于石墨负极, Cu3P可有效地避免溶剂共嵌副反应导致的容量衰减。然而, Cu3P固有的差导电性、低孔隙率和巨大体积膨胀效应严重阻碍了其实际应用。传统的纳米材料在提升倍率性能和循环稳定性具有一定作用, 但由于较低的振实密度, 牺牲了其体积比容量。

华南师范大学林晓明副教授、徐超副研究员与中山大学苏成勇教授合作, 基于金属-有机框架为模板, 设计并制备碳纳米管穿插的多层次八面体碳包覆的Cu3P/Cu纳米结构, 作为高密度锂离子电池负极材料, 其表现出优异的体积比容量性能, 并从实验分析和理论计算阐释了物质结构、反应机理与电化学性能之间的关系。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202000736)上。 传统金属磷化物锂离子电池负极材料不可避免地面临差倍率性能和低振实密度的瓶颈。金属-有机框架(MOFs)充当原子均匀且周期性分散的自牺牲模板, 被广泛用于分层多孔碳封装的纳米结构材料的构筑, 从而实现高体积容量储能。本研究成功设计并构筑了一种通过MOF衍生的碳纳米管穿插的多层次八面体碳包覆的Cu3P/Cu纳米结构(Cu3P/Cu@CNHO)。作为锂离子电池的新型负极材料,其具有优异的循环稳定性——在高达1600次循环后, 在1 A g-1电流密度下, 质量/体积比容量保持良好(463.2 mAh g-1/1878.4 mAh cm-3)、出色的倍率性能——甚至在10 A g-1的电流下仍具备超高的比容量(317.7 mAh g-1)以及高温性能, 可有效解决商业化石墨负极材料体积比容量低等问题。结合定量动力学分析、异位表征和密度泛函理论(DFT)计算,系统地深入研究Cu3P/Cu@CNHO在嵌锂/脱锂过程中的电化学反应机理, 从而证明了Cu3P/Cu@CNHO的可逆转化机理、高导电性、低扩散能垒和出色倍率性能。本研究工作为构建MOF衍生的表面修饰的过渡金属磷化物/金属多层次结构提供了一种创新的思路。