Small:定制高导电有序多孔碳用于高能长寿命磷负极

1. 研究背景

红磷(RP)拥有具有大的理论容量(2596 mAh g-1)、理想的工作电位(0.7 V vs Li+/Li和0.4 V vs Na+/Na)和丰富的地球资源,是用于高能量密度锂离子电池(LIBs)/钠离子电池(SIBs)最具前景的负极材料之一。但RP的实际应用受到两个主要缺陷的阻碍:(1)低的电导率使电化学氧化还原反应变得困难,限制了其高倍率能力;(2) Li+/Na+嵌入和脱出引发巨大的体积膨胀,造成活性材料的严重粉碎,损害了电池的循环稳定性。因此,合理的宿主选择及结构设计是解决RP固有障碍的关键之一。

2. 文章概述

近日,上海交通大学胡晓斌教授课题组为RP量身订做了一种高导电的三态多孔碳载体,该载体由三维有序的大孔及嵌有铜簇的微介孔壁构成。其中,高度有序的大孔可作为RP固定器并促进离子的长距离迁移,而微介孔壁可扩大内部接触面积并提高离子的局部可及性。特别地,碳壁上原位引入的Cu簇极大地改善了电极的整体电导率,确保了电子的高效快速传输。同时,本征耦合的三模态多孔碳载体表现出优异的结构稳定性和容纳性,为RP的体积膨胀提供了足够的空间及约束。

3. 图文导读

1 Cu-OMC@RP合成过程示意图。

图2  (a,b)Cu-ZIF-8@SiO2碳化前后的SEM图。Cu-OMC的(c) SEM图,(d) TEM图,(e,f) HRTEM图,(g,h) HAADF-STEM图及相应的元素映射。(i) Cu-OMC@RP复合材料的SEM图及对应的RP映射图。

图3 Cu-OMC@RP在锂电中的电化学性能。

4 Cu-OMC@RP在钠电中的电化学性能。

图5 Cu-OMC@RP和Cu-DPC@RP负极在(a) LIBs和(b) SIBs中的GITT曲线。(c, d)锂离子扩散系数和(e, f)钠离子扩散系数。(g)Cu-OMC@RP和Cu-DPC@RP在LIBs和NIBs中的嵌入和脱出行为。

4. 结论

研究团队设计研发了一种均匀嵌有Cu纳米簇的高度有序多孔碳,用于专门限制RP并构建用于LIBs和SIBs的Cu-OMC@RP负极。得益于有序互连的三态多孔碳载体和Cu-C壁的高导电性,该独特的负极不仅促进了Li+/Na+的扩散和电子传输,而且在循环过程中提供了显著的结构相容性和稳定性。在OM碳框架中引入导电Cu簇的设计,为封装电导率差、体积膨胀大的活性材料提供了新的思路。

论文信息:

Tailoring Ordered Porous Carbon Embedded with Cu Clusters for High-Energy and Long-Lasting Phosphorus Anode

Jiajia Xiao, Zihe Cai, Tahir Muhmood, Xiaojun Hu, Shengxuan Lin, Xiaobin Hu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202106930

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202106930