西交大Adv. Funct. Mater：用硫化聚丙烯腈化学键合稳定钠离子电池磷阳极循环

【引言】

锂离子电池（LIBs）在电子设备中取得了巨大成功，并且由于其高能量密度和较长的循环寿命而被用作电动车辆和混合动力电动车辆的动力源。 然而，锂资源有限且不均衡的全球分布难以满足这些新兴应用日益增长的需求。钠离子电池（SIB）作为LIBs的一种有前途的替代品引起了广大的关注。 尽管如此，在LIB中广泛使用的商业石墨阳极由于钠离子的半径（1.02 Å）比锂离子的半径（0.76 Å）大得多，很难在SIB中应用。 因此，必须开发出用于合适的SIB阳极材料。近来，已经发现红磷（P）是有前景的阳极材料，其可以与钠电化学反应形成Na₃P。 该三电子转移反应提供2595mAhg^-1的高理论容量，这是所报道的用于SIB的阳极材料中最高的。 然而，P型阳极在调节和调节过程中容量变化大于300％，导致活性物质粉碎，不稳定固体电解质界面（SEI）过度生长，因此容量衰减快，库伦效率低。

【成果简介】

近日，西安交通大学的宋江选教授报道了一种通过与功能性导电聚合物杂交形成的钠离子电池循环寿命长的稳定磷阳极。首先，聚丙烯腈与硫通过简单的热处理的进行脱氢，形成嵌入C-S-S部分的导电主链。这种功能性导电聚合物使得能够在磷和功能性导电基体之间形成P-S键，从而形成坚固的电极，该电极可以在循环中大量的体积变化时适应大的体积变化。因此，该SPAN-P混合阳极显示出出色的电化学性能，在520 mA g^-1的电流密度下具有高达约1300 mAhg^-1的高容量，具有高库仑效率（> 99％）和良好的循环性能（100次循环后容量保持率为91％）。相关研究成果“Stable Cycling of Phosphorus Anode for Sodium‐Ion Batteries through Chemical Bonding with Sulfurized Polyacrylonitrile”为题发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图一 制备P-SPAN杂交物的示意图

图二 SEM和TEM表征

（a，c）a）SPAN，b）原始红磷和c）P-SPAN混合物的SEM图像

（d）P-SPAN杂交体的选定区域电子衍射

（e，f）TEM图像和f）磷的相应元素映射图像

（g，h）P-SPAN的碳和硫相应的元素映射图像

图三 XRD和拉曼

（a）红磷、SPAN和P-SPAN的XRD图谱

（b）红磷、SPAN和P-SPAN的拉曼光谱

图四 红磷、SPAN和P-SPAN的XPS

（a）红P的高分辨率P2p XPS光谱

（b）SPAN的高分辨率S2p XPS光谱

（c，d）P-SPAN杂交体的P2p XPS谱和S2p XPS谱

图五 电化学性能表征

（a）P-SPAN混合物的充放电曲线

（b）P/SPAN混合物的充放电曲线

（c）在520mAh g^-1的电流密度下，P-SPAN混合物，P/SPAN混合物和P/SP混合物阳极的循环性能和库仑效率

（d）GITT曲线

（d）P/SPAN混合物和P-SPAN混合阳极的Na⁺扩散系数

【小结】

本文开发了一种用于高容量磷阳极的新型功能性导电基体-硫化聚丙烯腈。 这种功能性导电主体可以在低成本的球磨方式下轻松地在SPAN和P之间形成P-S键。 这为钠离子电池提供了稳定的磷基混合阳极。这种混合阳极在100次循环后的容量高于1300 mAh g^-1，容量保持率为91％，相比之下，库仑效率高99％。就良好的电化学性能、低成本和简单的生产工艺而言，这种P-SPAN混合阳极对于低成本，高能量密度的钠离子电池是非常有前途的。

 文献链接：Stable Cycling of Phosphorus Anode for Sodium‐Ion Batteries through Chemical Bonding with Sulfurized Polyacrylonitrile(Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201801010)

 本文由材料人编辑部学术组微观世界编译供稿，材料牛整理编辑。

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