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氟硅能源材料与化学教育部重点实验室


双键限域增强多磷化物吸附和电化学动力学助力金属磷化物负极可逆稳定的锂/钠存储
发布人:刘冰玉  发布时间:2025-01-18 浏览次数:16

金属磷化物负极材料因其高容量和适合电位被广泛用于锂/钠离子电池研究。然而,这类负极材料存在本征电导率低和体积膨胀大的问题,导致其倍率性能和循环寿命不理想。在以往的研究中,研究人员主要通过将纳米化金属磷化物与碳材料复合来缓解体积膨胀并提高电化学动力学。除了导电性低和体积膨胀问题, 金属磷化物在脱嵌锂/钠过程中,转换反应产生的多磷化物(LiPx/NaPx)容易溶解在电解液中,导致材料活性组分的损失,从而严重影响了材料的可逆性和稳定性。所以迫切需要开发一种策略来抑制多磷化物的溶解,以实现金属磷化物负极材料可逆稳定的锂/钠存储。近日,江西师范大学陈义旺课题组等人利用两步法合成了一系列Ti-PC-P双键结合的MXene-MxPy-G复合材料。一方面,双键限域可以增强复合基体对多磷化物的吸附,稳定转换反应中间产物;另一方面,双键限域可以促进电子转移和离子扩散,提升转换反应(MxPy + xyLi+ + xye- ↔ xM0 + yLixP)的可逆性。因此,众多复合材料均表现出优越的电化学性能,尤其以MXene-Sn4P3-G为代表,作为锂离子电池负极表现出90.1%的高首效和1058.6 mAh g-1的高容量,在高倍率下循环1450圈后容量几乎不衰减,作为钠离子电池负极材料同样具有超过1200次的循环寿命。本工作深入研究了金属磷化物脱嵌离子过程中的相变机制,揭示了电化学过程中多磷化物溶解的关键问题,并成功制备了一系列双键限域的MXene-MxPy-G 复合材料。通过原位/非原位表征、电化学分析和理论计算手段证明,双键限域不仅可以增强对多磷化物的吸附,还能加速电化学过程动力学,从而极大地促进了转化反应的可逆性。因此,MXene-MxPy-G 复合材料作为LIB/SIB负极材料表现出极佳的可逆性和循环性,相应的改性策略也可扩展到其他的转换型负极材料。

(三审三校:朱子欣,蒋平,廖勋凡)