MOFs衍生的碳包覆Cu3P/Cu高密度鋰離子電池負(fù)極材料
發(fā)布時(shí)間：2020-08-28 作者：harry 分享到：
近年來，過渡金屬磷化物（TMPs, 如CoP, Ni2P, FeP等）已成為鋰離子電池負(fù)極材料的研究熱點(diǎn)。磷化亞銅（Cu3P）, 盡管理論比容量接近于商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料——石墨（Cu3P為363 mAh g-1，石墨為372 mAh g-1）, 但由于較高的材料密度, Cu3P的體積比容量約為石墨的三倍（Cu3P為3020 mAh cm-3, 石墨為830 mAh cm-1）, 有望成為替代石墨的負(fù)極材料。同時(shí), 相對(duì)于石墨負(fù)極, Cu3P可**地避免溶劑共嵌副反應(yīng)導(dǎo)致的容量衰減。然而,Cu3P固有的差導(dǎo)電性、低孔隙率和巨大體積膨脹效應(yīng)嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)的納米材料在提升倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性具有一定作用, 但由于較低的振實(shí)密度, 犧牲了其體積比容量。
華南師范大學(xué)林曉明副教授、徐超副研究員與中山大學(xué)蘇成勇教授合作, 基于金屬-有機(jī)框架為模板, 設(shè)計(jì)并制備碳納米管穿插的多層次八面體碳包覆的Cu3P/Cu納米結(jié)構(gòu), 作為高密度鋰離子電池負(fù)極材料, 其表現(xiàn)出**的體積比容量性能, 并從實(shí)驗(yàn)分析和理論計(jì)算闡釋了物質(zhì)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理與電化學(xué)性能之間的關(guān)系。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.202000736）上。傳統(tǒng)金屬磷化物鋰離子電池負(fù)極材料不可避免地面臨差倍率性能和低振實(shí)密度的瓶頸。金屬-有機(jī)框架（MOFs）充當(dāng)原子均勻且周期性分散的自犧牲模板, 被廣泛用于分層多孔碳封裝的納米結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑, 從而實(shí)現(xiàn)高體積容量儲(chǔ)能。本研究成功設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種通過MOF衍生的碳納米管穿插的多層次八面體碳包覆的Cu3P/Cu納米結(jié)構(gòu)(Cu3P/Cu@CNHO)。作為鋰離子電池的新型負(fù)極材料，其具有**的循環(huán)穩(wěn)定性——在高達(dá)1600次循環(huán)后, 在1 A g-1電流密度下, 質(zhì)量/體積比容量保持良好（463.2 mAh g-1/1878.4 mAh cm-3）、出色的倍率性能——甚至在10 A g-1的電流下仍具備超高的比容量（317.7 mAh g-1）以及高溫性能, 可**解決商業(yè)化石墨負(fù)極材料體積比容量低等問題。結(jié)合定量動(dòng)力學(xué)分析、異位表征和密度泛函理論（DFT）計(jì)算，系統(tǒng)地深入研究Cu3P/Cu@CNHO在嵌鋰/脫鋰過程中的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理, 從而證明了Cu3P/Cu@CNHO的可逆轉(zhuǎn)化機(jī)理、高導(dǎo)電性、低擴(kuò)散能壘和出色倍率性能。本研究工作為構(gòu)建MOF衍生的表面修飾的過渡金屬磷化物/金屬多層次結(jié)構(gòu)提供了一種創(chuàng)新的思路。
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