东莞理工大学Zhenyu Yang课题组--利用石墨烯基质来克服红磷固有的局限性以用作锂离子电池的阳极材料

时间:2018-11-14 15:19:56  来源:本站

红磷(P)作为高性能且低成本的锂(Li)离子阳极材料,显示出巨大的潜力。它与Li合金形成Li3P,其转化为~2595 mAh/g的理论容量(比石墨好~7倍)。此外,块状P的成本与电池级石墨相当。然而,存在两个内在的限制,阻止了P的部署,即低电导率和在循环上的高体积变化,导致电接触的粉碎和丧失。在这里,我们提出了一种同时解决这两个限制的方法。我们采用电喷和远红外还原(FIR)来制备P和还原氧化石墨烯(rGO)的复合材料。电喷雾工艺可实现超小P粒子(5-10 nm),抑制压力诱导型粉碎并大幅减少Li离子扩散距离。对于这种小粒径而言,P的低电导率也无法构成限制。FIR建立碳-磷键以防止P的表面迁移和聚集,并且能够在rGO基质和P纳米颗粒之间进行有效的电子转移。P/rGO阳极具有出色的比容量(在电流密度为~0.1 A/g时,约为1763 mAh/g),具有超高倍率性能(高达~40 A/g)和长循环寿命(> 1000次循环,~99%库仑效率)。

Fig. 1. 电极制备:通过(a)电喷雾法和(b)随后的远红外线照射合成P/rGO复合电极的制备方法。

Fig. 2. (a)~20%、(b)~40%和(c)~60wt%P/rGO复合物的扫描电子显微镜(SEM)图;(d)~40wt%P/rGO复合膜横截面的SEM图;(e,f)~40wt%P/rGO复合物的透射电子显微镜(TEM)图;(g)~40wt%P/rGO复合物中P(蓝色)和C(粉红色)的电子能量损失光谱(EELS)元素映射图。

Fig. 3. 电化学特性:(a)P/rGO复合材料在~1 A/g电流密度下的循环性能;(b)在电流密度为~0.1 A/g时,前三个循环,~40%wt%P/rGO复合材料的恒电压锂化/脱锂曲线。

Fig. 4. (a)在各种电流密度下,~40wt%P/rGO复合电极和rGO电极的倍率性能;(b)在1000次充电-放电步骤中,在~10 A/g的电流密度下,~40wt%P/rGO复合电极的比容量和库仑效率;(c)~40wt%P/rGO复合物的循环伏安图(CV);(d)~40wt%P/rGO复合物和rGO电极的Nyquist图。

 

相关研究成果于2018年由东莞理工大学Zhenyu Yang课题组,发表在Carbon(https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.11.043)上。原文:Utilizing a graphene matrix to overcome the intrinsic limitations of red phosphorus as an anode material in lithium-ion batteries(Carbon 127 (2018) 588-595)。

 

来源:石墨烯杂志