低成本磷化铁/石墨烯自支撑多孔电极材料的构建及其钠离子电池性能

Sodium ion battery is believed as an ideal alternative technology for lithium ion battery in large-scale energy storage filed. Ion phosphides can be considered as the promising anode materials for sodium ion batteries because of its low cost and high specific capacity. In order to solve the problem for iron phosphide such as lower electrical conductivity, low coulombic efficiency and larger volume expansion, we will develop a precipitation and low-temperature phosphating rout to synthesize self-supporting three dimensional iron phosphide/graphene nanocomposites. In this hybrid material, the super-small iron phosphide nanopartices can be loaded on the graphene nanasheets uniformly. Three dimensional iron phosphide/graphene nanocomposites with high capacity and perfect rate performance will be synthesized. In this project, we will study the relation between structure and the performance for composites, and set up the theoretical model to explain the synergistic effect on the improved electrochemical performance between iron phosphide and graphene.The transfer kinetics of sodium ion on the interface between iron phosphide and the graphene matrix will also be investigated. We will find the best diffusion cout for sodium ion in iron phospide and the interaction between sodium ion and hybrid materials to obtain the electrochemical action mechanism. Based on the optimized electrodes, the sodium ion battery will be fabricated with capacity of 500 mAg/h and cycle life longer than 2000 cycles. We will provide the theoretical mechanisms and experiment evidences for the potential applications for iron phosphide as sodium ion battery anode materials.

钠离子电池是可替代锂离子电池用于大规模储能的理想的下一代储能器件。由于低的成本和高的容量，磷化铁被认为是很有潜力的钠离子电池负极材料。针对其电导率低、体积膨胀大、库伦效率低等问题，本项目拟以简单的沉淀法和低温磷化技术合成磷化铁/石墨烯自支撑三维多孔电极材料。实现超小纳米粒子在石墨烯上超均匀负载。研制出比容量高、循环性能好、倍率性能优的磷化铁/石墨烯电极材料。探明复合材料结构与性能之间的关系，建立相关模型解释复合材料增强电池性能的协同作用机制。分析钠离子在磷化铁/石墨烯复合材料中的传输动力学，同时以理论计算的方法研究钠离子在复合材料中的最优迁移路径及其相互作用关系，从而揭示磷化铁/石墨烯复合材料在钠离子嵌入/脱出过程中发生的电化学反应机制。构建比容量可观（达到500 mAh/g），性能稳定（循环寿命>2000次）的钠离子电池体系。为磷化铁钠离子电池负极材料的应用提供一定的理论指导和实验依据。

由于成本低、安全性好等优点，钠离子电池被认为是锂离子电池理想的替代品。针对现在钠离子电池负极材料容量衰减快，倍率性能低等问题。本项目主要研究了以下两个方面的工作：（1）通过沉淀法和低温磷化技术合成了金属磷化物/石墨烯复合材料。一方面利用金属磷化物比容量高的特点，另一方面利用石墨烯高导电性以及形成的多孔结构，来提高复合材料的比容量和倍率性能。通过调控石墨烯的含量、磷化温度与磷化时间来调控复合材料的电化学性能。磷化铁/石墨烯复合材料在100 mA g-1 的电流密度下，经过100个循环后能够达到574 mAh g-1的高比容量。（2）利用生物质价格便宜，原料易得等优点，制备了异质原子掺杂的生物质衍生碳钠离子电池负极材料。合成了氮、硫自掺杂的多孔碳材料，氮、磷共掺杂的碳纳米带材料和氮、氧掺杂的表面功能化生物质碳材料。氮、硫掺杂提高了碳材料的层间距，进而提高了材料的比容量。氮、磷掺杂改变了材料的形貌结构，使材料由多孔状转变到纳米带状。碳纳米带电极的首次库伦效率达到了90%，而且具有高的倍率性能。在4 A g-1的电流密度下，能够实现270 mAh g-1的高容量，具有很好的应用价值。此外，以一种简单的热解合成与化学氧化结合的方法合成了表面功能化的多孔碳材料。充分利用碳材料表面的含氧官能团与钠离子的反应，提高了材料的充放电性能。由于高的比表面积和大的层间距，表面功能化的多孔碳材料在电流密度为100 mA g-1，200个循环后，能够实现268 mAh g-1的可逆容量。本项目主要制备了几类高性能的钠离子电池负极材料。对金属磷化物、碳材料等钠离子电池负极材料的结构、形貌、性能的调控，理解其电化学反应机制有一定的科学意义。而且这些材料展现了良好的使用价值，具有很好的应用前景。