广东工业大学张海燕团队MRL：静电纺丝法制备钠离子电池阳极MoP/TiO2异构材料

文献链接

Facile Preparation of MoP/TiO₂ Composite by Electrospinning Method for Sodium Ion Battery Anode, Materials Research Letters, 9:9, 382-390. (https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1949401)

【背景介绍】

近年来，性能优异的锂离子电池在便携式电子设备、电动汽车等领域得到大力推广。随着锂离子电池的广泛应用，有限的锂资源及其不断攀升的需求和价格使得人们的关注点逐渐转向潜在的替代储能体系。由于钠成本低，储量丰富的优势，钠离子电池成为锂离子电池在储能器件方面的补充。钠离子电池与锂离子电池工作机理相似，均通过工作离子在正负极间来回穿梭而实现能量的存储与转换，并且钠与锂的电极电位相近。但钠离子相对较大的离子半径使其在嵌入脱出过程中会面临更大的阻力，容易造成颗粒的破碎粉化以及相应的性能衰减，因而更难以选择合适的电极材料。

具有高理论容量和低反应电位的磷基负极材料成为理想的候选者，而金属磷化物在电化学循环过程中形成的过渡中间相Na_xM/Na_xP能有效缓解体积膨胀。其中，磷化钼(MoP)材料由于其优异的电子导电性和良好的碱金属离子储能的电化学活性而受到广泛关注。与其他转换反应型材料相似的是，MoP也存在循环稳定性差和内部较差的离子扩散动力学特征等缺陷。构建导电碳网络以及结合纳米晶形成异质结构是提升电化学性能的有效材料改性手段。一维纳米材料具有高反应活性，高形变耐受力，较短的离子扩散路径等优势。作为一种简单且通用的一维纳米材料合成方式，静电纺丝法制备得到的前驱体经惰性气氛碳化后能够形成稳定的碳纤维骨架。颗粒的纳米化则能有效缓解在充放电过程中体积膨胀造成的结构应力。过渡金属离子和有机配体通过配位键自组装形成的有机-无机杂化材料如MOF（金属-有机框架材料）经过煅烧后在实现纳米化的同时，能够有效避免颗粒间的团聚。

【成果简介】

近期，广东工业大学张海燕教授团队提供了一种苯胺辅助的静电纺丝法制备MoP的工艺路线。选择植酸作为环境友好型磷源，避免了过量使用次磷酸钠的气相磷化的路线。选取磷钼酸作为钼源和聚合反应引发剂，原位生成的磷钼酸-聚苯胺前驱体借助磷钼酸负电荷层的排斥作用能够有效抑制颗粒的团聚，并且有利于后续引入钛源，形成异质结构从而有效提升循环稳定性和界面电子传输。相关论文以题为“Facile Preparation of MoP/TiO₂ Composite by Electrospinning Method for Sodium Ion Battery Anode”于近日发表在《Material Research Letters》上。

【图文导读】

图1. 材料合成示意图及扫描电镜和透射电镜表征

图2. 电化学性能表征

图3. 循环后电极材料颗粒无定型化，颗粒尺寸基本无变化，极化减小

【结论】

总的来说，MoP/TiO₂碳纤维复合材料具有独特的结构优点：（1）较小的颗粒尺寸能够有效缓解充放电过程中的体积效应，（2）前驱体热解形成的碳纤维封装和引入的二氧化钛提供了双重缓冲作用，大幅度提升循环稳定性，（3）形成的异质结构有效提升界面电子传输。所制备的MoP/TiO₂复合材料具有良好的稳定性，1 A/g的电流密度下循环4000次几乎没有容量衰减。将循环后的电池拆解通过透射电镜观察，颗粒趋向无定型化，但颗粒尺寸基本无变化，无明显团聚或破碎，显示出材料良好的稳定性。

*本文由MRL编辑部邀请，作者团队供稿。