上海大學在黑鱗(BP)作為鈉電池負極材料研究取得進展

2020-12-11 騰訊網

上海大學材料基因組工程研究院碩士生莊曉強等撰寫的學術論文《Partial sodiation induced laminate structure and high cycling stability of black phosphorous for sodium-ion batteries》在英國皇家化學學會著名期刊《Nanoscale》上發表，並被選為當期封面論文。

論文主要研究了黑鱗(BP)作為鈉電池負極材料應用方面的研究工作。該工作通過原位TEM研究了黑鱗鈉化反應前端的擴散條紋，觀測到晶體/非晶體/晶體/非晶體薄片片層交替排布的結構，這種層狀交替排布的結構產生膨脹比較小，實驗上可以利用部分嵌鈉來維持其結構穩定性以改善鈉離子電池的循環性能，這對BP的鈉化機理提供了新的認識。

部分嵌鈉後的 BP納米顆粒的 HAADF實驗結果：（b）ABF;(c-d)沿[212]方向和（d）[101]方向觀察的部分嵌鈉反應後 BP 納米片的 ABF-STEM 圖像；（e）圖（c）中紅框區域的相應 FFT 圖像；（f）使用 SinglerCrstal 軟體沿[212]方向模擬的 DP；（g）根據(c-d)的部分嵌鈉後的 BP原子結構示意圖。

電化學性能測試表明，通過合理的控制BP的鈉化程度，即BP作為鈉離子電池負極的放電容量，可以使BP在循環過程中維持其層狀結構，從而提高BP作為鈉離子電池負極材料的循環穩定性。結合原位TEM觀測，該工作系統地研究了在給定的放電比容量，進行鈉離子半電池充放電循環性能的研究，通過合適地降低放電比容量，BP的循環性能顯著提高。實驗結果表明在放電比容量為400 mAh·g-1 時，BP作為鈉離子電池負極電極材料、負載量為~2 mg·cm-2的情況下，其充放電循環超過100個周期，是在放電比容量為600 mAh·g-1的4倍以上，完全放電容量的35倍以上。原位TEM部分鈉化實驗觀測和扣式電池電化學循環結果均表明保持其層狀結構的穩定是提高 BP 作為鈉離子電池負極材料循環性能的關鍵。

BP 作為鈉離子電池負極材料在半電池中的電化學性能測試的實驗結果：（a）BP 完全充放電條件下的心梗曲線；（b-e）BP 在不同放電比容量條件下的性能曲線；（f）不同放電比容量下的循環性能；（g）不同倍率下的循環性能和庫倫效率。

鈉離子電池在儲能方面具有潛在的重要的應用前景，因而近年來受到研究人員的廣泛關注。鈉離子電池具有與鋰離子電池類似的結構，部分鋰離子電池的研究成果可以直接應用於鈉離子電池的研究開發之中；然而，鈉離子電池當前遇到了一個瓶頸問題：缺少合適的高能量密度和循環性能穩定的負極材料，這就嚴重地阻礙了鈉離子電池的商業化進程。因此，研究人員進行了大量研究以尋找合適的鈉離子電池負極材料。黑磷（BP）以其獨特的電學性能和類石墨結構，目前在場效應電晶體、溼度監測和金屬離子監測器件，及新能源電池負極材料等多個領域得到了廣泛的研究。BP作為鋰電池以及鈉電池負極材料均具有良好電化學性能，是石墨作為鋰離子電池負極材料的理論比容量的近7倍。然而，BP作為鈉離子電池負極材料有著一些弊端，比如：在循環過程中體積變化，造成了電極材料結構膨脹/收縮疲勞，從而引起容量的快速衰減。

為了解決上述問題，研究人員對BP進行改性，通過使用石墨烯包覆、與碳納米管複合來增強負極材料的穩定性。在電化學鈉化過程中，BP經歷鈉的嵌入和合金化反應兩個步驟。嵌入過程會造成層間距的增加，但保持了BP的層狀晶體結構；而合金化過程則會破壞P-P鍵，形成非晶化的 NaP 相，進一步的鈉化則使NaP相轉變為晶體的Na3P相。理論計算表明，在鈉化的初始階段，鈉離子的嵌入是各向異性的，並且會造成原子堆垛形式的重組。然而，目前對以上理論預測結果仍缺乏實驗證據，並且，這種鈉化初期的結構演變如何影響BP的電化學性能尚不清楚。因而其研究具有重要的基礎創新價值和應用前景。

該論文第一作者為材料基因組工程研究院碩士生莊曉強，第一單位為上海大學材料基因組工程研究院，通訊作者為張統一院士。該期刊在2020年中國科學院SCI期刊分區表屬於工程技術類1區Top期刊，影響因子7.32。

來源：上海大學

論文信息：DOI: 10.1039/d0nr00805b

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