通过表面焊接单壁碳纳米管（SWCNTs）抑制红磷/活性炭阳极在高能量钠离子电池中的化学机械降解

《Journal of Energy Chemistry》：Suppressing chemo-mechanical degradation of red phosphorus/activated carbon anodes via surface-welding SWCNTs for high-energy sodium-ion batteries

　　

杨桑|陈嘉颖|刘丹|李龙|杨珊|范振涵|曲德宇|陈刚|宁凡宇

摘要

使用高容量、中等潜力的红磷阳极有望提高钠离子电池的能量密度，这与先进锂离子电池中的硅碳阳极类似。将红磷封存在商用活性炭（AC）的纳米孔中，可以制备出实用、微米级且低成本的复合材料（PAC），但其失效机制仍不明确。本研究探讨了PAC的化学机械降解过程，发现活性炭骨架的强度不足以承受孔内红磷的体积变化，从而导致颗粒粉碎和持续的界面副反应。为了解决这一问题，我们提出了一种简单的表面焊接方法，使用微量（约0.1 wt%）的单壁碳纳米管（SWCNT）。具有高长径比和优异机械性能的表面焊接SWCNT不仅限制了颗粒的体积膨胀，还修复了断裂的颗粒，从而保持了电极的完整性并减少了界面反应。优化后的复合材料（SPAC）在半电池中实现了1123 mAh g^?1的高可逆容量，初始库仑效率为88.5%，循环稳定性显著提高（200次循环后容量保持率为85.5%）。此外，使用SPAC与硬碳（质量比为10/90）混合物作为阳极的18650全电池表现出良好的长期循环性能（1 C/1 C条件下500次循环后容量保持率为93.6%），其容量比仅使用硬碳阳极的电池高出18.1%，体积能量密度高出15.2%。这项工作为缓解红磷-碳阳极的降解问题提供了实用方法，推动了高能量钠离子电池向实际应用的迈进。