齐鲁工业大学何妍妍博士、周国伟教授CEJ: MOFs原位衍生Co掺杂FeP@C双锥纳米棒结构用于高效储锂

第一作者：于聚鑫

通讯作者：何妍妍*，周国伟*

单位：齐鲁工业大学（山东省科学院）

在全球日益关注的可持续能源发展背景下，锂离子电池具有理想的工作电压和高能量密度等优点被视为最受欢迎的储能设备。高性能锂离子电池负极材料的研究依旧是电极材料研发的热点，特别是基于转化反应机制的金属磷化物，其中，磷化铁（FeP）因价格低廉、资源丰富、工作电压低和令人满意的理论容量而备受瞩目。然而，在锂离子嵌入/脱出反应过程中，不可避免的体积膨胀和活性材料聚集/破碎，导致差的倍率性能和循环稳定性，这使得金属磷化物负极材料的实际应用受到限制，如何实现FeP材料的高比容量、高倍率和长循环稳定性，仍然是一个具有挑战性的问题。

近日，来自齐鲁工业大学（山东省科学院）的何妍妍博士和周国伟教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“In-situ rooting biconical-nanorods-like Co-doped FeP @carbon architectures toward enhanced lithium storage performance”的研究论文。此工作首先采用溶剂热法制备了双锥纳米棒状Co-Fe-MOFs，随后经过磷化和碳化，原位生成磷掺杂碳层包覆的Co掺杂FeP双锥纳米棒，将其作为锂离子电池负极材料。其次，论文通过实验结合密度泛函理论（DFT）计算对材料电化学性能（可逆比容量、倍率能力和循环稳定性），反应动力学（电池阻抗、赝电容贡献、扩散系数）和储锂机制（非原位XRD和非原位XPS）进行了系统地表征与分析。最后，为探究Co掺杂FeP@C负极材料应用潜力，将其与商用LiCoO2正极材料组装成锂离子全电池，并进行了性能评估。该论文研究结果对金属离子掺杂改性金属磷化物的设计合成具有重要的参考价值。

Co掺杂FeP@P-C材料由Co-Fe-MOFs材料衍生，煅烧过程中可以原位生成P掺杂碳层包覆，碳层在提高导电性的同时缓解锂离子嵌入/脱出过程中的体积变化。独特的双锥纳米棒状结构可以为电解质提供足够的接触面积，并缓冲电极材料的体积膨胀，保持结构循环稳定性。Co掺杂可以增大FeP材料的晶胞体积为离子和电子传输提供更多通道，增加导电性，并且提供更多的锂离子反应活性位点。

为了进一步探究Co掺杂后FeP的优势，通过恒电流间歇滴定技术（GITT）和CV曲线对电池的阻抗、扩散系数、赝电容贡献进行了探究。结果显示Co掺杂后的FeP有更快速的离子和电子扩散速率，和更低的反应电阻，Co掺杂为FeP提供更多反应位点，加快了电极材料表面的离子吸附速度，从而提高赝电容贡献。

对Co掺杂FeP材料充放电反应中间产物及反应后产物进行了非原位XRD和非原位XPS等表征与分析，结果表明材料具有良好的可逆性，且结构保持良好，阐明了材料基于转化反应的储锂机制。

实验结合 DFT 理论计算进一步分析了材料储锂性能优越的原因。计算分析结果表明， Co掺杂可以增加Fe和P的电子密度，导致电荷和非局域电子的局域聚集，提高体系中电子移动能力，从而提高导电性。此外， Co 掺杂还能提高FeP 的锂离子吸附能，加速电化学反应进行。

In-situ rooting biconical-nanorods-like Co-doped FeP @carbon architectures toward enhanced lithium storage performance.

何妍妍，博士。主持参与国家自然科学基金、山东省自然科学基金、济南市高校院所创新团队项目等多项。主要从事能源存储材料的设计合成及储能机理研究，在国际知名期刊Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., Nano Res., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A.等发表SCI论文30余篇，获授权发明专利4件。

周国伟，博士，二级教授，博士生导师。国务院政府特殊津贴专家、山东省有突出贡献中青年专家、山东省优秀科技工作者、山东省优秀研究生指导教师等，主持国家自然科学基金、山东省重点研发计划、济南市高校院所创新团队项目等多项，获山东省科学技术奖一等奖、二等奖多项，在国际知名期刊Adv. Energy Mater., Chem. Eng. J., Nano Res., Chin. J. Catal.等发表SCI论文130余篇，获授权发明专利50余件。

于聚鑫，齐鲁工业大学（山东省科学院）2021级硕士研究生。以第一作者和共同作者在Adv. Energy Mater., Chem. Eng. J., Appl. Surf. Sci., J. Alloys Comp.等期刊发表多篇文章，参与 “互联网+” 山东省大学生创新创业大赛、“挑战杯”山东省学生创业计划竞赛并获得多项奖励。

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