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隨著科技的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄姵匦阅艿囊笠苍絹?lái)越高，而影響電池性能的主要因素取決于電極材料。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)具有低成本，高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的鈉離子電池新型負(fù)極材料成為研究重點(diǎn)。過(guò)渡金屬磷化物（TMPs）具有較高的理論儲(chǔ)鈉容量，但由于其電導(dǎo)率低和嵌鈉/脫鈉后的體積膨脹，引起材料的倍率性能較差。將TMPs與碳材料復(fù)合或縮小其特征尺寸被認(rèn)為是解決上述問(wèn)題的有效方法。然而，表面控制的電容行為在電池容量貢獻(xiàn)中普遍占主導(dǎo)地位，這不可避免地?fù)p失了充放電平臺(tái)，降低了全電池結(jié)構(gòu)的工作電位窗口，然而這一問(wèn)題很少引起人們關(guān)注。
近日，趙玉峰教授團(tuán)隊(duì)利用金屬有機(jī)框架（Metal-Organic Frameworks，MOF）材料中金屬離子（原子）與有機(jī)配體之間自組裝形成的多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)一步碳化/磷化的方法，將FeP量子點(diǎn)限制在P摻雜的三維八面體碳骨架/碳納米管中（FeP@OCF）。這種自限域生長(zhǎng)的方法不僅降低了FeP納米顆粒的尺寸，縮短了離子的傳輸路徑，提高了材料的倍率性能；而且有效的緩解了FeP顆粒在生長(zhǎng)過(guò)程中的團(tuán)聚效應(yīng)，避免了在充放電過(guò)程中因較大的體積膨脹引起的電極材料粉化問(wèn)題，從而增強(qiáng)了材料的穩(wěn)定性。同時(shí)，在合成MOF的過(guò)程中，氮摻雜碳納米管的引入構(gòu)筑了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性，加快了電子/離子傳輸，提升了整個(gè)材料的循環(huán)和倍率性能。因此，將其作為鈉離子電池負(fù)極材料，在0.1 A g-1的電流密度下可實(shí)現(xiàn)647 mAh g-1的可逆容量，即使在20 A g-1的大電流密度下容量仍高達(dá)224 mAh g-1，表現(xiàn)出超高的倍率性能。與純的FeP相比，F(xiàn)eP@OCF材料無(wú)論是在平臺(tái)區(qū)容量還是斜坡區(qū)容量均有明顯提高。另外，通過(guò)原位透射電鏡，我們實(shí)時(shí)觀察到FeP@OCF在充電過(guò)程中的并沒(méi)有明顯的體積膨脹現(xiàn)象，通過(guò)分析原位選區(qū)衍射電子圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)一步證實(shí)了FeP@OCF對(duì)鈉離子的嵌入/轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)制。基于FeP@OCF優(yōu)異的半電池性能，我們將Na3V2(PO4)3作為正極材料， FeP@OCF為負(fù)極材料組裝鈉離子全電池，在227 W Kg-1的功率密度下可實(shí)現(xiàn)184 Wh Kg-1的能量密度，表現(xiàn)出FeP@OCF潛在的應(yīng)用價(jià)值。
該工作所設(shè)計(jì)的由MOF限域作用將FeP量子點(diǎn)限制在P摻雜的三維八面體碳骨架/碳納米管材料，在鈉離子半電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，并在全電池測(cè)試中實(shí)現(xiàn)較高的能量密度，這一工作為磷化物的全電池設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用提供了新的設(shè)計(jì)途徑。相關(guān)論文以FeP quantum Dots Confined in Carbon Nanotube-Grafted P-doped Carbon Octahedra for High Rate Sodium Storage and Full-Cell Applications為題目在線發(fā)表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201909283)上，第一作者為燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院博士生史姍姍。