將磷包裹在碳納米管的內部空間中，用作鋰離子電池的電極材料

日本豐橋技術科學大學的研究人員已經證明了使用磷包覆碳納米管（CNTs）電極的鋰離子電池（LIB）的電化學性能，他們把具有相當高容量的紅磷引入到了碳納米管（CNT）的內部空間中，這一科研成果發表在了「Electrochemical Society」雜誌中，文章名稱為「Electrochemical Performance of Lithium Ion Battery Anode Using Phosphorus Encapsulated into Nanoporous Carbon Nanotubes」。

電極表明，在包覆住紅磷的碳納米管的側壁上形成了可接近的鋰離子通道，即納米孔，紅磷的電化學反應活性有所提高。

此外，充電—放電曲線和結構分析揭示了這種材料製成的鋰離子電池的可逆的電化學反應。甚至在第五十次充電—放電循環之後，納米管中的紅磷仍能保持相對高的結構穩定性。

其充放電容量值比商用LIB中使用的石墨的充放電容量值高了2倍甚至更多。因此，研究人員提出了一種可用於高容量LIB的新型電極材料。

作為用於LIB的更高電容的電極材料，紅磷已經引起了人們的廣泛關注，因為與商用LIB中石墨材料相比，紅磷的理論容量約是石墨理論容量的7倍以上。這種容量的巨大差異性被認為是由於LiC6的石墨結構或Li3P中的磷結構中的鋰離子的可接受量所致。

然而，在鋰離子插入和脫嵌過程中，紅磷會面臨巨大的體積膨脹，粉化和剝落等問題，電化學反應中紅磷量的減少會導致容量發生快速衰減現象。

另外，在鋰離子插入/脫嵌過程中，當電子在電極上移動時，紅磷由於其較低的電子電導率而在能量損失方面存在缺陷。

圖1：左圖是在側壁上具有納米孔的磷包覆碳納米管的元素映射圖像。右圖是在側壁上具有納米孔的碳納米管的透射電子圖像。 圖片來源：日本豐橋技術科學大學

日本豐橋技術科學大學電氣與電子信息工程系的Tomohiro Tojo及其同事合成了如圖1左圖所示的獨特的結構：將紅磷封裝到碳納米管的內部間隔中以防止其從電極上脫落並改善其電子電導率。

為了改善紅磷通過鋰離子通路的電化學反應活性，如圖1右圖所示，在包覆住磷的碳納米管的側壁上也形成了納米孔（

如圖2左圖所示，使用了碳納米管包覆的磷的電極，在第50次充電—放電循環中可逆容量約為850mAh / g。其值比石墨電極容量值至少高出兩倍。圖2右圖顯示了在第十個循環以及隨後的循環過程之中，庫侖效率> 99％，這表明了這種紅磷材料在LIB充放電反應過程中的高度可逆性。

圖2：左圖是在側壁上具有納米孔的磷包覆碳納米管的充電—放電曲線。右圖顯示了充放電過程中LIB的庫侖效率。

然而，隨著循環次數的增加，由於磷和碳納米管表面上的一些P-P鍵和其他的副反應，充放電容量逐漸下降。有趣的是，與不含納米孔的磷包覆CNT相比，具有納米孔的磷包覆CNT的電化學性能有了明顯的提高。這可能是由於紅磷與鋰離子通過側壁上的納米孔而具有較高的反應活性所致。

充電—放電循環後，我們可以觀察到紅磷在納米管內，如圖1左圖所示。

我們計劃將磷包覆CNT材料作為高容量LIB的電極材料，儘管我們需要額外改進其結構以實現電池在長期的循環後也能保持容量不會發生衰減。另外，我們還將進一步研究這些電極的使用情況。

文章來自nanowerk網站，原文題目為Wrap an electrode material for Li-ion battery into the inner spacing of carbon nanotube，由材料科技在線匯總整理。

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