東北大學Energy Storage Mater.：鈉/鉀離子電池磷復合負極的研究進展

大兵哥 3年前 (2020-12-02) 5374瀏覽

【研究背景】

隨著化石燃料的枯竭和溫室效應的增強，全球能源危機已成為人類迫切需要解決的重點問題之一。作為對可再生能源和可持續能源利用的有力支持，發展高效的儲能技術（EST）具有重要意義。鈉離子電池（SIBs）和鉀離子電池（KIBs）作為新一代金屬離子電池已吸引了相當多的關注，這歸功于Na和K的豐富自然儲備以及具有成本效益的優點。評估電池供電性能的關鍵因素包括能量存儲密度，功率密度，循環穩定性和倍率能力，這些都強烈依賴于電極材料。磷（特別是RP和BP）具有理論比容量極高（～2596 Ma h g?1）、儲存電壓低、原料儲備豐富、成本低等優點，被認為是高性能電池負極材料的后起之秀。然而，由于其巨大的體積變化和固有的低電子電導率，其循環穩定性差和電化學反應動力學緩慢，大大限制了其在儲能裝置中的實際應用。

【成果簡介】

近日，東北大學李犁教授、王淑蘭教授和牛萍副教授綜述了SIBs/KIBs用磷復合負極的研究進展。作者首先介紹了負極材料的主要調制方法，并介紹了用于SIBs/KIBs的紅/黑磷（RP/BP）的工作機理。然后分別從碳質，金屬和有機聚合物基質分別審查了RP和BP的合成策略和材料。最后，提出了RP/BP復合材料在SIBs/KIBs開發中的挑戰和機遇，希望為高級SIBs/KIBs儲能系統的設計和制造提供一些啟發。該文章近日以題為“Recent Progress of Phosphorus Composite Anodes for Sodium/Potassium Ion Batteries”發表在知名期刊Energy Storage Materials上。

【圖文導讀】

1、簡介

為了改善通用的堿金屬離子電池負極材料的電化學性能，主要采用了包括缺陷工程，納米結構化，形態控制，復合等在內的調制策略。

圖一、SIBs/KIBs負極材料調制策略的最新進展摘要

2、磷材料的工作原理和挑戰

磷是一種非金屬元素，主要有三種同素異形體，即白磷、紅磷和黑磷。作者分別從RP和BP方面討論PCA在SIBs和KIBs中的應用，以期揭示高性能負極材料的合理設計策略和制造方案。

圖二、SIBs的工作原理

圖三、KIBs中的工作原理

圖四、磷材料面臨的挑戰

3、用于SIBs和KIBs的紅磷復合負極

通過利用兩種組分的優勢，建立異質結構以形成復合材料被認為是改善負極材料電化學性能的一種有吸引力的方法。為了解決RP的低電導率和巨大的體積膨脹問題，總是添加導電基質，以提高電子通過負極的傳輸速率，并使電極免受嚴重粉碎的影響。最近，越來越多的候選物，包括金屬及其化合物以及導電聚合物，越來越多地與RP進行復合，以擴展RPCA對SIBs和KIBs的可及性。

3.1、紅磷/碳復合材料

圖五、紅磷/介孔碳

圖六、紅磷/碳納米管

圖七、紅磷/石墨烯

3.2、紅磷/金屬（或金屬化合物）復合材料

圖八、單/二元金屬負載的紅色磷復合材料

圖九、金屬磷化物負載的紅色磷復合材料

3.3、紅磷/導電聚合物復合材料

圖十、紅磷/導電聚合物電極

4、用于SIB和KIB的黑磷復合負極

黑磷（BP）是活性最小的磷同素異形體，在高溫高壓條件下可從其他同素異形體轉化而來，具有與石墨相似的正交結構。最近，也相繼報道了一些非碳材料，包括金屬/金屬化合物和導電聚合物。請注意，與RP相比，目前有關BP（包括磷烯）的出版物數量仍然很少，這受到其高合成要求和對空氣/水分敏感性的限制。

圖十一、黑磷/碳復合材料

圖十二、黑磷/金屬（或金屬化合物）復合材料

圖十三、黑磷/Ti3C2復合材料

圖十四、黑磷/導電聚合物復合材料

【結論展望】

作為SIBs和KIBs具有最高理論容量的材料之一，磷被視為堿金屬離子電池極有希望的負極選擇。然而，其低電導率和在電化學過程中的大體積膨脹強烈地阻礙了其在能量存儲裝置中的實際應用。在不同的調制策略中，與合理的磷復合物組合設計相結合，是通過利用組件的優勢同時最大程度地減少其弊端，開發出適用于長壽命和快速SIBs/KIBs的高性能負極材料的有效方法。目前，研究了不同的材料作為與磷結合的主體組分。通過將RP和BP集成到它們的表面或粒子間空間中以適應體積變化并建立相互連接的導電網絡，具有出色的導電性和可調整的表面積/孔結構的碳材料可以與磷形成穩定的P-C鍵。盡管已經取得了巨大的研究進展，但是，進一步開發磷復合負極仍需要解決一些問題：

1、應不斷努力優化高性能SIBs和KIBs的PCA的結構和組成；

2、深入了解SIBs和KIBs中磷基復合材料的反應機理，對于設計復合結構并通過建立緊密的結構-性能關系，探索合適的陽極材料具有重要意義；

3、可加工性和成本也是規模生產需要考慮的重要因素。

文獻鏈接：Recent Progress of Phosphorus Composite Anodes for Sodium /Potassium Ion Batteries (Energy Storage Materials, 2020, DOI: 10.1016/j.ensm.2020.10.003)

本文由大兵哥供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu

分享到