红磷/碳复合材料的制备与电化学性能研究

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红磷作为锂离子电池负极材料,具有资源丰富、价格低廉以及理论比容量(2596 mAh/g)较高等优势。然而,红磷较低的电子电导率(10-14S/cm)导致的实际比容量偏低,表明红磷负极的电化学性能仍需要进一步提高。针对这一问题,本文利用具有良好电子电导率的两种商业化碳材料作为基底材料,制备不同磷含量的红磷/碳复合材料,并研究该复合材料的电化学性能及其电化学反应机制。  本文首先采用行星球磨法制备了多种磷含量的红磷/活性炭(P/AC)和红磷/导电碳黑(P/BP2000)复合材料,并对该材料的结构和形貌进行了表征。结果显示,在上述复合材料中,红磷均为微米级颗粒,并均匀分散在碳材料颗粒中。电化学测试结果表明,上述复合材料初始放电比容量均可达2000 mAh/g,第二周迅速降低;50周循环后,放电比容量衰减为180 mAh/g。这意味着微米级的红磷颗粒在首次放电时利用率较高,但其放电产物未能有效参与随后的充电反应。这是因为球磨法制备的磷/碳复合材料中,红磷未能有效地进入碳材料的孔结构中,在随后的锂化过程中,产生体积膨胀。这使得红磷的放电产物从碳材料结构中脱落,导致该复合材料电化学活性变差。为了限制红磷颗粒的粒径,采用气相吸附法通过多孔碳丰富的孔结构将红磷限制在碳微孔和介孔中,制备了红磷/活性炭复合材料和红磷/导电碳黑复合材料,磷含量均为45 wt.%。负载磷前后材料的孔容变化和EDX元素分布结果表明,红磷均匀的沉积到了碳材料的孔结构中。电化学测试结果表明,在140mA/g的电流密度下,红磷/导电碳黑复合材料首周放电比容量为1588 mAh/g(以复合材料质量计算),首周库仑效率为38.9%;50周后比容量约为377mAh/g。在140 mA/g的电流密度下,而红磷/活性炭复合材料首周放电比容量为1400mAh/g,首周库仑效率为60.7%;50周后,比容量保持在541 mAh/g。上述结果表明,以具有更高比表面积和更丰富微孔结构的活性炭为导电基底时,复合材料具有更高的活性物质利用率和循环稳定性。基于这一探索结果,进一步制备的更高磷含量(60wt.%)的红磷/活性炭复合材料表现了优异的电化学性能。在140 mA/g的电流密度下,该复合材料首周放电比容量高达1981 mAh/g,首周库仑效率为79.3%;循环50周后,容量保持在1313 mAh/g。对该复合材料的首周充放电机制的研究结果表明,在首周放电过程中,红磷生成了磷化三锂产物;由于SEI膜的生成,复合材料表面结构产生了较大程度的粉化,造成了首周较大的不可逆容量损失。在充放电过程中,活性物质红磷和磷化三锂可以可逆转化,确保了复合材料较好的循环稳定性。
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