西交大Adv. Funct. Mater：用硫化聚丙烯腈化學鍵合穩定鈉離子電池磷陽極循環

【引言】

鋰離子電池（LIBs）在電子設備中取得了巨大成功，并且由于其高能量密度和較長的循環壽命而被用作電動車輛和混合動力電動車輛的動力源。 然而，鋰資源有限且不均衡的全球分布難以滿足這些新興應用日益增長的需求。鈉離子電池（SIB）作為LIBs的一種有前途的替代品引起了廣大的關注。 盡管如此，在LIB中廣泛使用的商業石墨陽極由于鈉離子的半徑（1.02 ?）比鋰離子的半徑（0.76 ?）大得多，很難在SIB中應用。 因此，必須開發出用于合適的SIB陽極材料。近來，已經發現紅磷（P）是有前景的陽極材料，其可以與鈉電化學反應形成Na₃P。 該三電子轉移反應提供2595mAhg^-1的高理論容量，這是所報道的用于SIB的陽極材料中最高的。 然而，P型陽極在調節和調節過程中容量變化大于300％，導致活性物質粉碎，不穩定固體電解質界面（SEI）過度生長，因此容量衰減快，庫倫效率低。

【成果簡介】

近日，西安交通大學的宋江選教授報道了一種通過與功能性導電聚合物雜交形成的鈉離子電池循環壽命長的穩定磷陽極。首先，聚丙烯腈與硫通過簡單的熱處理的進行脫氫，形成嵌入C-S-S部分的導電主鏈。這種功能性導電聚合物使得能夠在磷和功能性導電基體之間形成P-S鍵，從而形成堅固的電極，該電極可以在循環中大量的體積變化時適應大的體積變化。因此，該SPAN-P混合陽極顯示出出色的電化學性能，在520 mA g^-1的電流密度下具有高達約1300 mAhg^-1的高容量，具有高庫侖效率（> 99％）和良好的循環性能（100次循環后容量保持率為91％）。相關研究成果“Stable Cycling of Phosphorus Anode for Sodium‐Ion Batteries through Chemical Bonding with Sulfurized Polyacrylonitrile”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一 制備P-SPAN雜交物的示意圖

圖二?SEM和TEM表征

（a，c）a）SPAN，b）原始紅磷和c）P-SPAN混合物的SEM圖像

（d）P-SPAN雜交體的選定區域電子衍射

（e，f）TEM圖像和f）磷的相應元素映射圖像

（g，h）P-SPAN的碳和硫相應的元素映射圖像

圖三?XRD和拉曼

（a）紅磷、SPAN和P-SPAN的XRD圖譜

（b）紅磷、SPAN和P-SPAN的拉曼光譜

圖四?紅磷、SPAN和P-SPAN的XPS

（a）紅P的高分辨率P2p XPS光譜

（b）SPAN的高分辨率S2p XPS光譜

（c，d）P-SPAN雜交體的P2p XPS譜和S2p XPS譜

圖五 電化學性能表征

（a）P-SPAN混合物的充放電曲線

（b）P/SPAN混合物的充放電曲線

（c）在520mAh g^-1的電流密度下，P-SPAN混合物，P/SPAN混合物和P/SP混合物陽極的循環性能和庫侖效率

（d）GITT曲線

（d）P/SPAN混合物和P-SPAN混合陽極的Na⁺擴散系數

【小結】

本文開發了一種用于高容量磷陽極的新型功能性導電基體-硫化聚丙烯腈。 這種功能性導電主體可以在低成本的球磨方式下輕松地在SPAN和P之間形成P-S鍵。 這為鈉離子電池提供了穩定的磷基混合陽極。這種混合陽極在100次循環后的容量高于1300 mAh g^-1，容量保持率為91％，相比之下，庫侖效率高99％。就良好的電化學性能、低成本和簡單的生產工藝而言，這種P-SPAN混合陽極對于低成本，高能量密度的鈉離子電池是非常有前途的。

?文獻鏈接：Stable Cycling of Phosphorus Anode for Sodium‐Ion Batteries through Chemical Bonding with Sulfurized Polyacrylonitrile(Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201801010)

?本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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