华理研究团队成功开发超快充放电SnP/CoP异质纳米晶高功率锂电池 | Engineering

拥有超快充放电能力的锂离子电池（LIBs）将大幅提升公交车、出租车等纯电动载具的全天候工作能力。然而，由于大电流的充放电容易造成负极严重的结构崩坏和大量的“死”锂产生，因而开发具备快速脱嵌Li ⁺ 和高可逆性的实用负极材料成为了核心问题。磷化锡（SnP）具有极佳的锂离子扩散能力和高理论比容量，是高功率锂离子电池的理想负极材料。然而，SnP的合成难度高，大尺寸晶粒导致的电化学不可逆也阻碍了其应用。根据密度泛函理论（DFT）计算，使用原位催化磷化方法可以显著降低SnP的相对生成能。

华东理工大学江浩、李春忠研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年11月刊发表了题目为《原子界面催化合成SnP/CoP异质纳米晶嵌入碳杂化物用于高功率型锂离子电池》的研究性文章，在还原氧化石墨烯（rGO）包裹的碳骨架内合成了SnP/CoP异质纳米晶。文章表明，所得复合材料具有超快充放电能力（50 A·g ⁻¹ 时容量为260 mA·h·g ⁻¹ ），且循环1500次不会出现容量衰减（2 A·g ⁻¹ 时容量为645 mA·h·g ⁻¹ ）。充放电机理分析表明尺寸为4.0 nm的SnP/CoP纳米晶具有高反应可逆性，且CoP在较高电位生成的金属Co加速了低电位SnP反应的动力学，从而赋予材料超快充放电能力。最后，文章利用相对电流密度的有限元模拟进一步验证了这一现象。

值得注意的是，根据电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS ELAN DRC-e,PerkinElmer，Inc.，USA）结果，TCP@C/rGO杂化物中Sn、Co和P的原子比为1:1:2，此三种元素在TCP@C/rGO杂化物中的质量占比合计79.7%。随后，文章通过酸刻蚀完全去除了SnP/CoP异质纳米晶，并对残余的碳骨架材料进行比表面积分析和形貌观察。文章指出，碳骨架中留下了大量介孔，孔径分布测试曲线在4.0 nm处出现强峰，印证了TCP@C/rGO杂化物形成了嵌入式纳米结构，表明在充放电循环过程中纳米晶的粗化可以被有效抑制。

此外，文章将TCP@C/rGO重新在Ar惰性气氛中退火4 h和12 h，得到了晶粒尺寸约20 nm和50 nm大小的类似复合材料作为对比样，分别记为TCP-1@C/rGO和TCP-2@C/rGO，并对三个样品进行了充放电测试。TCP@C/rGO 的首次库仑效率为 74.1%。结果表明，随着材料中异质纳米晶粒尺寸的增大，其可逆比容量呈现降低趋势。目标样TCP@C/rGO在0.5 A∙g ⁻¹ 下的最高容量为907 mA∙h∙g ⁻¹ ，并表现出具有超快的充放电能力和超稳定的循环性能。文章指出，即使在50 A∙g ⁻¹ 下进行高功率测试（充电仅需19 s），TCP@C/rGO的可逆比容量也能够达到260 mA∙h∙g ⁻¹ 。

以上内容来自：Chen Hu,Yanjie Hu,Aiping Chen,Xuezhi Duan,Hao Jiang,Chunzhong Li. Atomic Interface Catalytically Synthesizing SnP/CoP Hetero-Nanocrystals within Dual-Carbon Hybrids for Ultrafast Lithium-Ion Batteries [J]. Engineering, 2022, 18(11): 154-160.