高性能锂离子/钠离子电池磷基负极材料:最新研究进展及展望

作为新一代高性能储能装置,锂离子电池已经在便携式电子产品和电动汽车等领域中得到了广泛的应用,给人们的生活带来了极大的便利。然而,科技的高速发展对锂离子电池也提出了更高的要求,即更高的能量密度,更长的使用寿命,和更快的充电时间等。另一方面,由于锂资源相对比较匮乏并且地壳中储量分布不均衡,使得锂离子电池成本居高不下。得益于钠资源的丰富廉价,钠离子电池被认为是锂离子电池的代替者之一。然而,钠离子半径(0.98 A)相对于锂离子半径(0.69 A)要大,这使得很多传统的锂离子电极材料并不适合储钠。因此,开发低成本、高容量、长寿命的电极材料对实现锂离子电池和钠离子电池广泛应用至关重要。迄今为止,在已报道的负极材料中,单质磷拥有高达2596 mAh g-1的理论容量,远远高于碳基材料、金属氧化物等。因此,磷基材料被认为是进一步提高锂离子/钠离子电池性能并推动其进一步商业化的最有前景的负极材料之一。

然而,磷基材料本身具有一定的局限性,比如导电性不好,且在充放电过程中体积变化大,使其发挥出来的实际容量远低于其理论容量,并且循环稳定性较差。为了改善磷基材料的导电性及电化学性能,近年来研究人员们做了大量的研究工作。目前,改性方案主要集中于磷基材料与碳材料(如石墨烯、碳纳米管、多孔碳等)的复合以及纳米结构的构筑。导电性能良好的碳材料可以提高电极材料的整体稳定性,而纳米结构可以减小离子/电子传输路径并保护磷基材料在充放电过程中的微观形貌。

近日,加拿大国立科学研究院-能源、材料和通讯研究所(INRS-EMT)的孙书会教授团队对近年来该领域的最新研究进展,即红磷和黑磷(包括磷烯)在锂离子/钠离子电池中的应用,进行了系统地总结。文中通过代表性文献详细介绍了构筑合成红磷/碳和黑磷/碳复合材料的不同策略(包括机械球磨、蒸汽-冷凝、碳热还原、溶液法、液相剥离法等),并对比了不同技术的优缺点。此外,对目前磷基复合材料在锂离子/钠离子电池中所面临的困难与挑战进行了分析,并且对未来的发展方向进行了探讨和展望。

文章立足于对红磷/黑磷负极材料发展的全面分析,并对其未来发展提出了前瞻性的观点,对今后磷基材料在能源储存和转换的发展应用具有重要的意义和有益的借鉴。该文章发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201702849)上并以Inside Cover形式报道。

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