广西大学朱金良副教授CEJ：泡沫金属可控生长化学键增强的金属磷化物@碳纳米线阵列作为钠离子电池的一体化负极

第一作者：邱玉艳

通讯作者：朱金良*

单位：广西大学

一般来说，电极由活性材料、导电添加剂、粘结剂和集流体（铜或铝箔）组成。这样既增加了生产成本和复杂性，又引入了电化学惰性材料，降低了电池的能量密度。过渡金属磷化物（TMP）具有较高的理论容量和较低的电位，是很有前景的钠离子电池负极材料。

但其电子电导率低，电化学反应动力学慢，充放电循环过程中体积膨胀率较大。与传统的铜箔或铝箔集流体相比，泡沫金属上构筑活性材料作为一体化电极具有积极的效果，设计一种简单、普适、可控的过渡金属磷化物合成方法，将金属磷化物外延生长在泡沫金属上构建一体化电极对于锂/钠离子电池是非常可取的。

基于此，来自广西大学的朱金良副教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Tailored chemically bonded metal phosphide@carbon nanowire arrays on foam metal as an all-in-one anode for ultrahigh-area-capacity sodium-ion batteries”的文章。该文章介绍了一种简单，普适的类化学气相沉积的合成方法，成功在泡沫金属上原位生长出化学键增强的碳包覆金属磷化物（磷化铁、磷化镍和磷化铜）核壳纳米线阵列，并实现纳米线直径、碳壳厚度可控调节。

将制备的Fe₂P@C铁泡沫直接用作钠离子电池一体化负极，降低了集流体与活性物质之间的接触电阻，碳包覆纳米线的核壳结构可以有效缓冲纳米线的体积膨胀，纳米线的阵列结构既保持了高能量密度，同时缩短了离子传输距离。Fe₂P@C铁泡沫一体化电极在大电流密度下表现出优异的电化学性能。此外，本文通过多种原位表征技术系统地探讨了Fe₂P@C的锂/钠离子储存机制。

图1 TMP@C纳米线阵列一体化电极的一般合成过程的示意图

采用“固-气-液-固”机理的类化学气相沉积方法在泡沫金属（Fe, Cu, Ni）表面原位生长磷化物@碳纳米线阵列（Fe₂P@C，Cu₃P@C，Ni₂P@C）。探究分析了不同温度下纳米线的生长过程，发现富铁颗粒对纳米线的生长起着前驱体和催化作用，从而实现了从根部到头部的外延生长。在一定范围内，通过调节温度及保温时间等可控合成了不同直径和碳层厚度的纳米线。

图2 (A) Fe₂P@C, (B) Ni₂P@C, (C) Cu₃P@C的 SEM图像; (D) Fe泡沫的SEM图像, (E) 650 °C时Fe₂P@C, (F) 750 °C时Fe₂P@C的SEM图像。

要点二：多种原位表征技术系统地探讨了Fe₂P@C的锂/钠离子储存机制

通过原位XRD和Raman等表征技术探索了钠存储机制，碳壳与Fe₂P之间有强烈的相互作用，原位生成的Fe-P-C键使得核壳结构更加稳定。原位Raman检测到当放电至0.8 V时Fe-P-C峰减弱，充电至1.2 V时重新形成Fe-P-C键，之后Fe₂P的相关峰强度逐渐增加。有力证明了原位生成的Fe-P-C键的独特核壳结构保证了Fe₂P@C的可逆转化。这与原位XRD的结果相一致。原位TEM视频显示了单根Fe₂P@C纳米线在嵌/脱锂过程中的体积变化，直观表明了原位包覆的碳层有效地限制了Fe₂P@C纳米线的体积膨胀。

图3 (A-C) Fe₂P@C恒电流充放电的原位Raman信息；(D-F) Fe₂P@C恒电流充放电的原位XRD信息。

要点三：Fe₂P@C泡沫铁用作一体化钠离子电池负极展示卓越的电化学性能

Fe₂P@C泡沫铁一体化负极表现出超高面容量和长循环性能。在0.1 mA cm^-2电流密度下循环120次后，钠离子电池的可逆容量为0.62 mAh cm^-2。在3 mA cm^-2的高电流密度下，钠离子电池经过1400次循环后的容量保留率为80.25%。

图4 Fe₂P@C的(A) CV曲线，(B) 0.1 mA cm^-2时，第1、50和120圈的充放电曲线；(C) Fe₂P@C，Fe₂P/C和Fe₂P在0.1 mA cm^-2循环时的循环性能，(D) Fe₂P@C、Fe₂P/C和Fe₂P在不同电流密度下的倍率性能，(E) Fe₂P@C、Fe₂P/C和Fe₂P在3 mA cm^-2时的长循环性能。

“Tailored chemically bonded metal phosphide@carbon nanowire arrays on foam metal as an all-in-one anode for ultrahigh-area-capacity sodium-ion batteries”

朱金良副教授，2014年于中山大学取得材料物理与化学专业博士学位，2015年入职广西大学，2017年晋升副教授。主要从事锂电池和电催化材料研究，主持国家自然科学基金、广西自然科学基金及企业横向项目等10余项，作为第一/通讯作者在Advanced Functional Materials、Small和Energy Storage Materials等期刊上发表SCI论文40余篇，ESI高被引论文3篇，作为第一发明人授权国家发明专利3项。

任《Frontiers in Chemical Engineering》客座/副编辑，《Frontiers in Chemistry》评论编辑，《Rare Metals》青年编委。曾获2017年广西重要技术标准奖励（排名三），2019年广西科学技术自然科学类一等奖（排名三）。

邱玉艳，广西大学资源环境与材料学院2020级硕士研究生，主要从事于锂/钠离子电池负极材料的研究。

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