廣東工業大學張海燕團隊MRL：靜電紡絲法制備鈉離子電池陽極MoP/TiO2異構材料

文獻鏈接

Facile Preparation of MoP/TiO₂ Composite by Electrospinning Method for Sodium Ion Battery Anode, Materials Research Letters, 9:9, 382-390.?(https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1949401)

【背景介紹】

近年來，性能優異的鋰離子電池在便攜式電子設備、電動汽車等領域得到大力推廣。隨著鋰離子電池的廣泛應用，有限的鋰資源及其不斷攀升的需求和價格使得人們的關注點逐漸轉向潛在的替代儲能體系。由于鈉成本低，儲量豐富的優勢，鈉離子電池成為鋰離子電池在儲能器件方面的補充。鈉離子電池與鋰離子電池工作機理相似，均通過工作離子在正負極間來回穿梭而實現能量的存儲與轉換，并且鈉與鋰的電極電位相近。但鈉離子相對較大的離子半徑使其在嵌入脫出過程中會面臨更大的阻力，容易造成顆粒的破碎粉化以及相應的性能衰減，因而更難以選擇合適的電極材料。

具有高理論容量和低反應電位的磷基負極材料成為理想的候選者，而金屬磷化物在電化學循環過程中形成的過渡中間相Na_xM/Na_xP能有效緩解體積膨脹。其中，磷化鉬(MoP)材料由于其優異的電子導電性和良好的堿金屬離子儲能的電化學活性而受到廣泛關注。與其他轉換反應型材料相似的是，MoP也存在循環穩定性差和內部較差的離子擴散動力學特征等缺陷。構建導電碳網絡以及結合納米晶形成異質結構是提升電化學性能的有效材料改性手段。一維納米材料具有高反應活性，高形變耐受力，較短的離子擴散路徑等優勢。作為一種簡單且通用的一維納米材料合成方式，靜電紡絲法制備得到的前驅體經惰性氣氛碳化后能夠形成穩定的碳纖維骨架。顆粒的納米化則能有效緩解在充放電過程中體積膨脹造成的結構應力。過渡金屬離子和有機配體通過配位鍵自組裝形成的有機-無機雜化材料如MOF（金屬-有機框架材料）經過煅燒后在實現納米化的同時，能夠有效避免顆粒間的團聚。

【成果簡介】

近期，廣東工業大學張海燕教授團隊提供了一種苯胺輔助的靜電紡絲法制備MoP的工藝路線。選擇植酸作為環境友好型磷源，避免了過量使用次磷酸鈉的氣相磷化的路線。選取磷鉬酸作為鉬源和聚合反應引發劑，原位生成的磷鉬酸-聚苯胺前驅體借助磷鉬酸負電荷層的排斥作用能夠有效抑制顆粒的團聚，并且有利于后續引入鈦源，形成異質結構從而有效提升循環穩定性和界面電子傳輸。相關論文以題為“Facile Preparation of MoP/TiO₂?Composite by Electrospinning Method for Sodium Ion Battery Anode”于近日發表在《Material Research Letters》上。

【圖文導讀】

圖1. 材料合成示意圖及掃描電鏡和透射電鏡表征

圖2. 電化學性能表征

圖3. 循環后電極材料顆粒無定型化，顆粒尺寸基本無變化，極化減小

【結論】

總的來說，MoP/TiO₂碳纖維復合材料具有獨特的結構優點：（1）較小的顆粒尺寸能夠有效緩解充放電過程中的體積效應，（2）前驅體熱解形成的碳纖維封裝和引入的二氧化鈦提供了雙重緩沖作用，大幅度提升循環穩定性，（3）形成的異質結構有效提升界面電子傳輸。所制備的MoP/TiO₂復合材料具有良好的穩定性，1 A/g的電流密度下循環4000次幾乎沒有容量衰減。將循環后的電池拆解通過透射電鏡觀察，顆粒趨向無定型化，但顆粒尺寸基本無變化，無明顯團聚或破碎，顯示出材料良好的穩定性。

*本文由MRL編輯部邀請，作者團隊供稿。