磷基钠离子电池负极材料研究进展

doi:10.3866/PKU.WHXB202001003

物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (12): 2001003.doi: 10.3866/PKU.WHXB202001003

磷基钠离子电池负极材料研究进展

王思岚¹, 杨国锐¹^,²^,³^,*(), SalmanNasir Muhammad¹^,⁴, 王筱珺¹, 王嘉楠¹^,³, 延卫¹^,*()

¹ 西安交通大学环境科学与工程系，西安 710049
² 西安交通大学苏州研究院，江苏苏州 215123
³ 西安交通大学理学院应用化学系，西安 710049
⁴ Department of Structures and Environmental Engineering, University of Agriculture Faisalabad, Faisalabad 38040, Pakistan

收稿日期:2020-01-02 录用日期:2020-03-06 发布日期:2020-03-16
通讯作者: 杨国锐,延卫 E-mail:yangguorui@xjtu.edu.cn;yanwei@xjtu.edu.cn
作者简介:杨国锐，1985年生。2014年获西安交通大学动力工程及工程热物理专业博士。现为西安交通大学理学院助理研究员，主要从事光电材料和二次离子电池电极材料开发与应用研究
延卫，1970年生。1997年获南开大学高分子所高分子化学与物理专业博士。现为西安交通大学能源动力工程及工程热物理学院教授，博士生导师，2007年入选“教育部新世纪优秀人才”。主要从事水处理及资源化利用、纳米功能材料合成、电化学与光电催化、新能源开发与利用等研究
基金资助:
国家自然科学基金(51978569);国家自然科学基金(51908458);江苏省自然科学基金(BK20170416);中国博士后科学基金(2019M650264);中国博士后科学基金(2018M64363)

Research Progress on Phosphorus-based Anode Materials for Sodium-Ion Batteries

Silan Wang¹, Guorui Yang¹^,²^,³^,*(), Nasir Muhammad Salman¹^,⁴, Xiaojun Wang¹, Jianan Wang¹^,³, Wei Yan¹^,*()

¹ Xi'an Jiaotong University Suzhou Institute, Suzhou 215123, Jiangsu Province, China
² Department of Applied Chemistry, School of Science, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
³ Department of Applied Chemistry, School of Science, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
⁴ Department of Structures and Environmental Engineering, University of Agriculture Faisalabad, Faisalabad 38040, Pakistan

Received:2020-01-02 Accepted:2020-03-06 Published:2020-03-16
Contact: Guorui Yang,Wei Yan E-mail:yangguorui@xjtu.edu.cn;yanwei@xjtu.edu.cn
About author:Email: yanwei@xjtu.edu.cn (W.Y.)
Email: yangguorui@xjtu.edu.cn (G.Y.)
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51978569);the National Natural Science Foundation of China(51908458);the Natural Science Fund of Jiangsu Province, China(BK20170416);the China Postdoctoral Science Foundation(2019M650264);the China Postdoctoral Science Foundation(2018M64363)

摘要/Abstract

摘要：

钠离子电池因丰富的钠储量以及与锂离子电池相似的工作原理，是重要的可替代锂离子电池的新型储能技术。但是较低能量密度和功率密度阻碍了钠离子电池的大规模应用。因此高性能钠离子电池电极材料特别是负极材料的研发成为钠离子电池发展的关键。磷基电极材料具有较高的理论容量，且储量丰富价格低廉，因此其成为极具应用前景的钠离子电池负极材料。然而，导电性差和过大的体积膨胀导致磷基负极容量和循环寿命低，通过尺寸结构调控和与碳基或非碳基材料复合能够有效缓解磷基电极材缺陷，从而提高钠离子电池的循环容量、稳定性与倍率性能。本文详细综述了近年来磷基钠离子电池负极材料的最新研究进展，主要包括储钠机理和改性策略，总结了目前磷基负极材料研究存在的问题，并提出了解决这些问题的方法和策略，最后对钠离子电池发展前景进行了展望。

关键词: 钠离子电池, 磷, 磷烯, 磷化物, 负极材料

Abstract:

The availability of renewable energy resources (e.g., solar, wind, and tides) is crucial for promoting sustainable development and alleviating environmental issues. However, the intermittent nature of renewable energy requires the application of grid-level electrical-energy storage (EES) technologies to achieve a continuous supply of electricity. As is well known, lithium-ion batteries (LIBs) with high energy density dominate the rechargeable battery market. When faced with the requirements of large-scale power stations, high cost, and limited availability of raw materials, these become serious issues in the application of LIBs. In contrast, sodium-ion batteries (SIBs), which share similar operation mechanisms with LIBs, are considered to be more suitable for grid-level storage due to easy accessibility and geographically available reserves of sodium raw material, with significant improvements in its processing technology made recently. Nevertheless, limited energy density and unsatisfactory cycling life hinder the commercialization of SIBs significantly, which necessitates the use of novel electrode materials with high specific capacities and extended durability. Compared with the accelerated development of cathodes, graphite, on the anode side, as a commercialized anode for LIBs fails to store Na-ions owing to unfavorable thermodynamics. Hence, discovering and designing novel anode materials for SIBs have become a significant challenge. Among different anode materials, phosphorus-based (including phosphides) anodes have been recognized as one of the most promising materials because of their high theoretical capacity (2596 mAh·g^-1 for phosphorus) and the abundance of phosphorus resources. Nonetheless, phosphorus-based anodes exhibit low conductivity and large volume expansion, resulting in inferior cycling performance and rating property. Therefore, various strategies, including nanosizing, morphology control, and carbon (non-carbon) modification, have been adopted to improve the performance of phosphorus-based anodes. In this review, the current progress on phosphorus-based anodes for SIBs are summarized. The Na-storage mechanisms of phosphorus-based materials are briefly discussed. Next, strategies for overcoming the disadvantages of phosphorus-based anodes are discussed extensively, including the size and morphology adjustment as well as the carbon (non-carbon) modification. Specifically, the carbon modification not only increases the conductivity but also decreases the volume expansion. Finally, the challenges and perspective of phosphorus-based anodes for SIBs are proposed. In this review paper, the development of suitable anode materials that can help to accelerate the commercialization of SIBs is highlighted.

Key words: Sodium ion battery, Phosphorus, Phosphorene, Phosphide, Anode material

MSC2000:

O646

王思岚, 杨国锐, SalmanNasir Muhammad, 王筱珺, 王嘉楠, 延卫. 磷基钠离子电池负极材料研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(12): 2001003.

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图/表 16

表1

图1

图2

图3

图4

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图8

图9

图10

图11

表2

磷基钠离子电池负极材料"

	Materials	Potential [V]	Current density [mA·g^-1]	Reversible capacity [mAh·g^-1]	Cycle Number	Capacity Retention [%]	Ref.
RP	Hollow RP Nanospheres	0.01–2.0	520	1364.7	600	63.8	80
	Hollow Nanoporous RP	0.01–2.0	2600	857.3	1000	98.94	81
	RP/super P	0.01–1.5	143	1890*	30	93	92
	RP/super P	0.01–2	250	1200*	60	–	93
	RP@CMK-3 composite	0.01–2.5	519	1020*	210	80	78
	RP-N-MPC	0.01–2.5	150	600	100	45.6	94
	RP/NCF(N-doped carbon nanofiber)	0.01–2.5	100	731*	55	57.3	95
	RP/CFs@rGO	0.01–1.5	50	725.9	55	55.3	96
	RP/CNTS	0.01–1.5	143	1675*	10	76.6	77
	Red P-SWCNTS	0.01–2.0	50	700	2000	80	85
	RP@AC@CNT	0.01–2.0	519	1357	50	92.2	86
	RP@HPC	0.01–2.0	150	1290*	200	88	84
	RP/G	0.01–2.0	260	2077*	60	81.8	87
	RP/Graphene scrolls(RP-G)	0.01–2.0	250	2355*	150	92.3	88
	RP/C@rGO	0.01–2.0	100	2445*	100	95	97
	RP@rGO	0.01–1.75	300	1211	300	75.5	98
	RP/rGO	0.01–1.75	1000	1625*	200	57.9	99
	RPQDs/rGO	0.01–2.0	200	1161	250	72.1	100
	NPRP@rGO	0.01–2.0	173.26	1249.7*	150	59.24	101
	RP/GnP	0.01–1.5	100	1146	200	92.5	90
	C@RP/GA	0.01–2.0	260	1867*	100	89.5	89
	S-P/rGO	0.01–2.5	2600	1364.1*	700	–	102
	APC	0.01–2.0	100	1408*	300	82.6	104
	RP/Sb/Cu nanowires-composite	0.01–1.5	125	1100	50	95	105
	RP-SPAN	0.01–2.0	520	1300	100	91	107
	RP-TiP2-C nanocomposite	0.01–1.5	200	607	100	79.3	108
	RP-TiO2-C	0.01–2.0	500	632	100	81.5	109
	Fe₃O₄/C/RP	0.01–3.0	200	1390	200	80	110
	RP/CNTs@PD	0.01–2.0	2600	730*	2000	52	111
	Fe-RP	0.01–2.0	400	1033	30	62.9	106
BP	Ni-BP	0.01–2.0	260	780	60	48.4	119
	E-BP/PEDOT	0.01–3.0	100	1597	100	51.51	120
	P/C nanocomposites	0.33–2.0	100	400	100	–	114
	BP-C	0.005–1.5	100	1381*	100	90.5	115
	BPC	0.01–2.0	1300	1700*	100	–	116
	BP-CNT	0.01–2.0	519.2	1560	200	75.3	117
	SPG	0.02–1.5	50	2080*	200	85	65
	RBP	0.01–3.0	1000	650	200	–	123
	2D-BP/G	0.02–1.5	100	1297	100	54.84	124
	BP/rGO	0.01–1.5	1000	~1250	500	74.39	125
	PGH	0.02–1.5	100	2311*	200	83.9	126
Phosphides	Sn₄P₃	0.01–1.5	100	718	100	–	127
	Sn₄ + xP₃(Sn-P)	0.01–1.5	100	465	100	92.6	128
	Sn-P	0.001–1.5	100	~560	100	83	129
	multi-shell Sn₄P₃ NSs	0.01–2.0	50	770	50	96	130
	SnP NCs	0.01–2.5	100	600	200	–	131
	Sn₄P₃/C	0.01–2.0	50	850	150	86	132
	SnP₃/C	0.01–2.0	150	810	150	–	133
	Sn₄P₃@C	0.01–2.0	100	516	500	55.3	134
	Sn₄P₃-C nanospheres	0.01–2.0	200	650	50	53.72	135
	hollow Sn₄P₃@C	0.01–3.0	200	372	200	63.37	136
	Sn₄P₃/rGO	0.01-3.0	100	506	100	–	137
	Sn₄P₃-P@G	0.01–2.0	1000	550	1000	84.36	131
	Sn₄P₃-GA	0.01–3.0	100	657	100	55.68	138
	Cu₄SnP₁₀/MWCNTs	0.01–2.0	100	512	100	~80	139
	CSP@C/G	0.01–2.0	50	990	200	~80	140
	Sn₅SbP₃/C	0.01–2.0	500	432	200	–	141
	Sb₂S₃-P/C	0.01–2.0	50	654	100	93.4	112
	GeP₅/C	0.01–3.0	100	1250	60	98	142
	GeP₅/C	0.01–3.0	150	411.5	30	59.2	143
	GeP₅/AB/p-rGO	0.01–3.0	500	400	50	81.6	144
	MGeP_x	0.01–2.0	360	704	100	86.06	145
	FeSi₄P₄	0.01–2.0	100	180	100	99	146
	SiP₂/C	0.01–2.0	50	410	100	–	147
	FeP	0.01–1.5	50	321	60	69	148
	FeP₄	0.01–2.0	89.45	1023	30	90	149
	FeP NRs/Ti	0.01–2.5	100	309	1000	–	67
	FeP/graphite	0.01–1.5	50	174	70	58	150
	CNT@FeP-C	0.01–3.0	3000	321	1200	95	151
	M-FeP@C	0.01–3.0	100	474	100	43.56	152
	FeP/NPG	0.01–2.5	50	613	50	–	153
	FeP NAs/CC	0.01–3.0	200	548	100	99.8	154
	IPs/BC	0.01–3.0	50	500.9	100	51.94	155
	CuP₂/C	0.01–2.5	150	~430	30	67.14	156
	CuP₂/C	0.01–1.5	50	~450	100	95	157
	CuP₂@GNs	0.01–2.75	100	804	50	91.6	158
	Sb-CuP₂-C	0.01–2.0	100	410	100	~80	159
	Cu₃P-Co₂P/N-C	0.005–3.0	100	166.4	50	38.7	160
	Cu₃P@C	0.01–3.0	300	286	300	–	161
	Co₂P@NC@rGO	0.01–3.0	50	225	100	66.96	162
	CoP/rGO	0.01–3.0	100	490	100	36.35	163
	CoP₄/CF	0.01–1.5	300	851	300	50.33	68
	CoP₃@C	0.01–2.5	100	212	80	77.6	164
	Ti₃C₂/NiCoP	0.01–3.0	100	374.8	100	49.88	165
	NiP₃/CNT	0.01–1.5	200	853	120	80	166
	Ni_2.3FeP_3.4/CNT	0.01–3.0	100	335.1	120	–	66
	Ni₂P@C	0.01–3.0	50	296	200	39.95	167
	Ni₂P Ns/CC	0.01–3.0	200	399	100	90	168
	Ni₂P@C yolk-shell	0.01–3.0	100	291.9	300	62.91	169
	MoP₂	0.01–2.5	40	205	100	75	170
	MoP@C	0.01–3.0	100	230.3	50	99.6	171
	H-MoP@rGO	0.01–3.0	1000	353.8	600	32.34	172

表2

图12

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参考文献 181

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	Na	Li
Price	~2 RMB·kg^-1	~40 RMB·kg^-1
Cost of carbonate	5800 ＄·ton^-1	250–300 ＄·ton^-1
E vs. SHE	-2.7 V	-3.04 V
lattice coordination	Octahedron and prismoid	Octahedron and tetrahedron
Ionic radii	0.102 nm	0.076 nm
Theoretical capacity	1.16 Ah·g^-1	3.861 Ah·g^-1
Abundance	23.6 × 10³ mg·kg^-1	20 mg·kg^-1
Distribution	Everywhere	70% in South America
Atomic weight	22.99 g·mol^-1	6.94 g·mol^-1
First ionization energy	495.8 kJ·mol^-1	520.2 kJ·mol^-1

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磷基钠离子电池负极材料研究进展

Research Progress on Phosphorus-based Anode Materials for Sodium-Ion Batteries

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