中國科大在鈉離子電池高性能磷基負極材料研究取得進展

　　近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院教授余彥課題組通過構筑氮摻雜微孔碳負載無定型紅磷，利用其電子及離子導電性和結構穩定性三者增強協同效應，實現了磷基負極材料在鈉離子電池中的長循環性能及高倍率性能的突破，相關工作以Confined Amorphous Red Phosphorus in MOF-Derived N-Doped Microporous Carbon as a Superior Anode for Sodium-Ion Battery 為題發表在《先進材料》上(Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201605820)。

　　鋰離子電池由于具有比能量高、循環壽命長及環境友好等特點，在便攜電子設備以及電動汽車領域得到了廣泛的應用。然而，隨著鋰離子電池需求量的增加，其所需鋰資源本身的稀缺性以及地域分布不均勻性等問題日益凸顯，使得鋰離子電池在大規模儲能方面的應用受到了極大的限制。相比而言，鈉具有資源儲量豐富、分布廣泛和成本低廉等特點，使得最近鈉離子電池逐漸發展為替代鋰離子電池的首選。但是，由于鈉離子具有較大的離子半徑（鈉離子：0.98 ?，鋰離子：0.69 ?），使得其動力學過程較為緩慢，電化學性能難以滿足實際應用需求。因此，鈉離子電池的研究依然集中在發展具有高電化學性能的電極材料。

　　針對負極材料，紅磷由于具有非常高的理論比容量（2595mAh/g），并且具有價格低廉、環境友好等特點，逐漸發展為負極材料研究的重點。但是，其本身低的電子電導和循環過程中巨大的體積變化，使得其電化學性能在短時間的循環過程中就會發生惡化，難以滿足實際應用的要求。余彥課題組針對紅磷電極材料的關鍵問題，前期通過構建有序介孔碳材料負載紅磷的結構，實現了磷基材料在儲鋰（鈉）性能上的提升（NanoLett.,2016,16(3),pp1546–1553）。基于前期工作基礎，該課題組針對鈉離子電池的需求，進一步提升了磷基材料的儲鈉性能。利用金屬—有機框架材料獨特的結構，通過碳化制備了氮摻雜的微孔碳材料（孔徑小于nm），并且通過磷蒸汽轉化的方法，制備了氮摻雜微孔碳負載紅磷的復合材料。此結構設計巧妙地利用了氮摻雜微孔碳材料的微孔結構以及高的電子電導，在增強紅磷電子電導的同時極大地緩解了體積變化效應，最終實現了電化學性能的大幅度提升。當應用于鈉離子電池時，整體材料的可逆容量在150mA/g的電流下達到了600mAh/g，并且實現了大電流（1A/g）下超長壽命循環性能，在1000次循環后依然保持了450mAh/g的可逆容量。

　　由于該材料表現出的長循環壽命和高容量性能，該材料有望應用于未來高性能的鈉離子電池中。并且，這種結構的設計可以作為一種普適方法，為其他電化學材料的設計和研究提供一種新的研究思路。

　　論文第一作者為博士研究生李維漢，中國科大為第一單位。該工作得到了中組部“青年千人計劃”、自然基金委、中央高校基本科研業務費專項資金資助以及蘇州納米科技協同創新中心的大力支持。

中國科大在鈉離子電池高性能磷基負極材料研究中取得進展