黑磷作为锂/钠/钾离子电池的负极材料，具有高达2600 mA h g-1的理论容量、优良的电子电导率（300 S m-1）和较大的层间距（0.53 nm），是实现下一代高容量、高倍率电池的关键材料之一。然而已有实验研究发现，黑磷的电化学储能性质远低于理论预期，且在不同的碱金属离子电池中显示出较大的容量差异，但决定容量上限的关键机制仍不清晰。
最近，中国科学技术大学季恒星教授（点击查看介绍）和中科院化学所万立骏院士（点击查看介绍）团队对比研究了限制黑磷复合电极材料电化学储能性质的关键因素。
研究发现，黑磷-石墨复合材料在锂/钠/钾离子电池中储钾容量最小的原因是由于黑磷中磷原子与钾离子的反应程度低。通过理论计算和实验结果显示，黑磷在钾离子电池中的诸多放电产物中，K3P的形成能明显高于Li3P和Na3P，而且黑磷-石墨复合物在钾离子电池中放电结束时，电极片中出现多种K-P复合物共存的现象，这证明了K3P相比于Li3P和Na3P在电池反应中更难形成；进一步的实验结果显示，在K3P的形成电位下（低于0.5V），钾离子的扩散系数急剧降低，而在锂离子电池中和钠离子电池中扩散系数则保持稳定。这些结果这反映了黑磷在深度钾化过程中具有较差的动力学特性。另一方面，黑磷-石墨电极在储钾离子时会有大量的电解液分解和SEI产生，这是导致其在钾离子电池中库伦效率低的原因之一。该工作表明，黑磷基材料在钾离子电池中差的反应动力学特性以及糟糕的界面反应是导致其差的储钾性能的主要因素，这些结果为进一步优化钾离子电池电解液体系和提高反应动力学特性提供了理论依据。
相关工作以发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
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Black Phosphorus-graphite Composite Anode for Li-/Na-/K-Ion Batteries
Hongchang Jin, Haiyun Wang, Zhikai Qi, De-Shan Bin, Taiming Zhang, Yangyang Wan, Jiaye Chen, Chenghao Chuang, Ying-Rui Lu, Ting-Shan Chan, Huanxin Ju, An-Min Cao, Wensheng Yan, Xiaojun Wu, Hengxing Ji, Li-Jun Wan
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201913129
导师介绍
季恒星
https://www.x-mol.com/university/faculty/64111
万立骏
https://www.x-mol.com/university/faculty/15504
（本稿件来自Wiley）
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