沈阳建筑大学李卓Small：面向高性能锂离子电池的多原子活性位点三相混合磷化物的协同调制与组成调控

第一作者：李卓

通讯作者：李卓*，王冰*，周中浩*，胡宪伟*

单位：沈阳建筑大学，东北大学，中国科学院国家纳米科学中心

随着电动汽车和便携式电子设备的快速发展，锂离子电池作为主流储能系统面临更高要求。然而，传统负极材料在充放电过程中存在动力学迟缓、体积膨胀等问题，导致循环稳定性和倍率性能不足。过渡金属磷化物因理论比容量高、嵌锂电位安全而备受关注，但其活性位点有限、离子扩散动力学缓慢，高电流密度下容量衰减严重。现有改进策略包括纳米结构设计、碳基复合和异原子掺杂，但单元素掺杂易导致相分离，多元素协同虽能调控晶格畸变和电子分布，却难以维持长循环中的原子构型稳定性。近年来，多金属有机框架材料为多元素掺杂提供了可控平台，但多金属异质结构的储能机制与协同效应尚不清晰。因此，如何通过单一策略综合优化电子导电性、离子传输动力学和结构稳定性，成为开发高性能磷化物负极的关键挑战。

近日，来自沈阳建筑大学的李卓博士与东北大学的胡宪伟教授、中国科学院国家纳米科学中心周中浩博士合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Synergistic Modulation and Compositional Orchestration of Triphasic Hybrid Phosphides with Multi-Atom Active Sites Toward High-Performance Lithium-Ion Batteries”的文章。该研究以钴镍铁三元金属有机框架为前驱体，通过碳化和磷化处理制备了碳包覆的氮磷共掺杂三相磷化物复合材料（CoNiFeP/CNP）。该材料呈现独特的蛙卵状异质结构，CoP、CoNiP与(CoFe)P₂三相纳米颗粒（约50纳米）密集嵌入碳基体中。电化学测试表明，CoNiFeP/CNP负极在0.2 A g^-1电流密度下循环100次后保持819.2mAh g⁻¹的可逆容量，在2A g^-1高电流密度下循环1000次后容量为383.8mAh g⁻¹，容量衰减率仅0.026%每圈，展示出其在锂离子电池中的应用潜力。

在这项研究中，研究人员以钴镍铁三元金属有机框架为前驱体，通过碳化和磷化处理制备了碳包覆的氮磷共掺杂三相磷化物复合材料（CoNiFeP/CNP）。该材料呈现独特的蛙卵状异质结构，CoP、CoNiP与(CoFe)P₂三相纳米颗粒（约50 nm）密集嵌入碳基体中，碳含量约23.6%，比表面积达71.82 m2/g。电化学测试表明，CoNiFeP/CNP负极在0.2A g^-1电流密度下循环100次后保持819.22 mAh g-1的可逆容量，在22 A g^-1高电流密度下循环1000次后容量为383.8 mAh g^-1，容量衰减率仅0.026%每循环。动力学分析显示其赝电容贡献高达88.1%，锂离子扩散系数显著优于单金属和双金属对照样品。

原位拉曼和原位X射线衍射证实材料在充放电过程中具有优异的结构可逆性。理论计算表明，铁原子的引入增加了费米能级处的电子占据，提升了电导率，同时优化了锂吸附能并降低离子迁移能垒。

该研究通过多元素金属掺杂与异质结构工程策略，成功构建了具有多原子活性位点的CoNiFeP/CNP三相磷化物负极材料。创新性地利用三元金属有机框架前驱体实现了钴、镍、铁元素的精准协同，形成蛙卵状碳包覆结构，有效缓解了活性材料团聚和体积膨胀问题。实验与理论计算共同证实，多金属协同效应优化了镍位点的电子环境，构建了分级缺陷网络，大幅提升了电子电导率并降低了锂离子扩散能垒。该材料展现出高可逆容量、优异倍率性能和超长循环寿命，其赝电容主导的快速反应机制为其高倍率特性提供了本质解释。这项工作不仅为磷化物负极的多元素协同设计提供了新思路，也阐明了异质结构中多金属活性中心的储能增强机制，对开发高性能储能电极材料具有重要指导意义。

Synergistic Modulation and Compositional Orchestration of Triphasic Hybrid Phosphides with Multi-Atom Active Sites Toward High-Performance Lithium-Ion Batteries

王冰教授简介：2002-2011年于哈尔滨工业大学获得学士、硕士及博士学位。2011年入职沈阳建筑大学市政与环境工程学院，并完成博士后研究工作，现为市政工程专业教授。长期从事污水资源回收及水处理新材料的研究和开发。以通讯作者身份在 Process Safety and Environmental Protection，Process Biochemistry等学术刊物上发表论文40余篇，主持及参与科研项目30余项，获得发明专利2项。

周中浩博士简介：2022年博士毕业于中国人民大学化学系。2023年-2025年就职于大连交通大学。2025年加入国家纳米科学中心进行博士后研究。长期致力于低维半导体材料的可控制备及理论计算工作。在Small、Chemical Engineering Journal、Inorganic Chemistry等学术期刊上发表研究论文20余篇。主持/参与国家自然科学基金、北京市自然科学基金、大连市科技人才创新支持政策计划等国家、省市级项目3项。

胡宪伟教授简介：1999-2009年于东北大学获得学士、硕士及博士学位。2009年加入东北大学，现为东北大学教授，博士生导师。长期从事熔盐电化学、纳米材料的设计与制备研究。在Chem. Eng. J. 、Adv. Sci.、J. Energy Chem.、Small、Rare Met.等学术刊物上发表论文200余篇，获国家自然科学基金、国家自然科学基金青年基金、国家重点研发计划课题、辽宁省自然基金、教育部中央高校基本科研业务等项目。