邹儒佳副教授、罗维研究员，朱美芳院士，Small亮点：改善红磷负极在大电流密度下长循环过程中的容量衰减- 大数跨境

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邹儒佳副教授、罗维研究员，朱美芳院士，Small亮点：改善红磷负极在大电流密度下长循环过程中的容量衰减

科学材料站

2021-12-13

导读：该工作采用一种简单的方法合成了具有高氮掺杂量的碳纳米管与多级孔结构的碳交联结构，并将其与红磷通过蒸汽-凝聚法组成复合材料

文章信息

改善红磷负极在大电流密度下长循环过程中的容量衰减

第一作者：何书昂

通讯作者：刘倩*，邹儒佳*，罗维*

单位：东华大学

研究背景

红磷作为锂离子电池负极材料时具有超高的比容量（约2600 mAh/g），这大大高出了目前商用锂离子电池的石墨负极，因此被认为是非常具有吸引力的下一代负极材料。

然而，红磷的缺点在于其本身极低的固有电导率和在充放电循环过程中的巨大体积变化，这阻碍了其实际应用。本篇文章采用简便的方法合成了一种具有高氮掺杂的多维度碳，并与红磷通过蒸汽-凝聚法进行复合。

其作为锂离子电池负极时表现出了优异的电化学性能，特别是在大电流密度下具有很高的循环稳定性。本文提出的观点对于改善红磷负极性能提供了方向，并可以推广到其他具有相似反应机理的负极材料。

文章简介

基于此，来自东华大学的朱美芳院士、邹儒佳副研究员和罗维研究员，在国际知名期刊Small上发表题为“Red Phosphorus Anchored on Nitrogen-Doped Carbon Bubble-Carbon Nanotube Network for Highly Stable and Fast-Charging Lithium-Ion Batteries”的研究性文章。

该工作采用一种简单的方法合成了具有高氮掺杂量的碳纳米管与多级孔结构的碳交联结构，并将其与红磷通过蒸汽-凝聚法组成复合材料，该复合材料用作锂离子电池负极时表现出了极高的大电流循环稳定性，大大改善了红磷负极的电化学性能。

Figure 1. a) Schematic illustration of the synthesis process of the 3D N-CBCNT@rP composite. b,c) SEM images of the N-CBCNT composite at different magnifications. d) TEM image of N-CBCNT composite. e) TEM image of the N-CBCNT@rP composite. f) STEM image and the corresponding EDX element mapping images of the N-CBCNT@rP composite. g) N2 adsorption/desorption isotherm curves of the N-CBCNT and N-CBCNT@rP composites; the inset shows the PSDs of the N-CBCNT and N-CBCNT@rP composites.

Figure 2. a) CV curves of the N-CBCNT@rP composite electrode in the initial five scans with a scan rate of 0.1 mV s−1. b) GCD profiles of the N-CBCNT@rP composite electrode in the initial five cycles under a current density of 0.1 A g−1. c) Rating performance of the N-CB@rP composite, N-CBCNT/rP mixture, and N-CBCNT@rP composite electrode under various current rates. d) Cycling performance of the N-CBCNT@rP composite electrode at a current density of 2 A g−1. e) Cycling performance of the N-CBCNT@rP composite electrode at a high current density of 5 A g−1.

Figure 3. a) Schematic illustration of the in situ TEM equipment. b,c) Morphology changes of N-doped CNT filled with rP before and after lithiation process. d,e) SEM image and TEM image of the N-CBCNT@rP composite after cycling. f) Schematic diagram of the advantages of the N-CBCNT@rP composite.

要点一：高氮含量提高红磷复合率

大部分碳材料通过蒸汽-凝聚法与红磷复合得到的活性物质含量通常在35%左右，这对于得到高能量密度的电极不利。本文采用了具有高氮含量的碳作为红磷载体，测试结果显示高氮含量的碳与红磷间除了通过桥氧与红磷成键外，还形成了大量氮磷键，这表明高氮掺杂的碳与红磷间具有很强的结合力，因此得到了接近50%的红磷载量。

并且，大量氮磷键在电极循环过程中也可以起到稳定红磷以避免活性物质从导电网络中脱落的问题，从而提高了电极的循环稳定性。

要点二：氮掺杂碳纳米管与多孔结构的碳交联

具有多孔结构的碳因其高比表面积，可以最大化与红磷的接触，从而改善红磷的低电导率引起的极化。并且，高掺杂的氮进一步提高了材料的导电性能，掺杂引入的缺陷提供了额外的离子传输通道。这些对于改善电极的倍率性能都是至关重要的。

要点三：多级孔结构的碳基体

同时具有介孔和微孔的碳载体可以有效缓解红磷在充放电过程中的体积变化，并且进一步增强活性物质与载体间的相互作用。穿插其中的碳纳米管起到了支撑和导电骨架的作用，进一步提高了载体在循环过程中的稳定性。

文章链接

Red Phosphorus Anchored on Nitrogen-Doped Carbon Bubble-Carbon Nanotube Network for Highly Stable and Fast-Charging Lithium-Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105866

通讯作者简介

邹儒佳副研究员

东华大学材料科学与工程学院研究员副研究员，博士生导师，浦江学者、香江学者、东华大学励志人才计划。致力于纳米材料的制备、结构和单体性能及器件研究。目前，总共在Prog. Mater. Sci.、Acc. Chem. Res.、JACS、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文110余篇，文章被引用超过8500次，H-index:48，单篇最高引用次数为900余次。授权专利10余项。获得包括国家自然基金、上海市自然基金，中国博后等项目资助，获得包括“上海市青少年科技创新市长奖”提名奖、上海市优秀博士生学位论文和上海市优秀毕业生学等多项奖励和荣誉

罗维研究员

东华大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师，无机非金属材料系党支部书记、系副主任。入选国家自然科学优秀青年基金，上海市青年拔尖人才开发计划，上海市青年科技启明星等人才计划项目。曾获教育部自然科学二等奖（排名第3），主持国家自然科学基金（面上、青年），上海市自然科学基金，参与国家自然科学基金重点项目，国家重点研发计划，上海市教委科研创新计划等重要科研项目。主要从事无机多孔材料、先进块体材料，以及其在能源、传感与发光等方面的应用研究。以第一作者和通讯作者的身份在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Today等国际著名期刊发表了多篇SCI论文。受邀担任Chinese Chemical Letters青年编委，中国材料研究学会青年工作委员会理事，Frontiers in Chemistry评审编辑，参与组织2017 International Symposium on Functional Materials for Energy Storage and Conversion国际会议，并担任会议执行主席