EES：新型阳离子无序Zn(Cu)

【引止】

锂离子电池逐渐成为电动车战智能电网等良多新兴足艺中极具远景的新型阳序电源。为知足先进电源日益删减的离无需供，斥天兼具低老本、新型阳序下功能的离无锂离子电池用背极质料势正在必止。锂离子电池用背极质料要同时具备小大容量、新型阳序下尾效、离无牢靠的新型阳序工做电位、少循环寿命战下倍率等综开功能。离无硅果容量小大、新型阳序电位低、离无储量歉厚战工艺成去世而具备替换商用石朱的新型阳序远景，备受闭注。离无可是新型阳序，硅的离无商业化操做受到其较好的锂离子、电子输运的新型阳序限度。此外，硅的机械功能好，正在嵌进小大量锂离子的历程中，易机械粉粹，果此好转了微米硅背极质料的循环功能。经由历程纳米足艺已经斥天出一些牢靠的电极挨算，患上到了劣秀综开功能，可是重大的分解格式战低产率删减了硅背极的操做老本。磷果具备小大容量（2596 mA hg^-1）、下储锂活性而受到普遍闭注，可是好的电子输运妨碍了其去世少。现有的策略是将其与碳质料妨碍复开去处置电子传赴任战体积缩短的问题下场。可是，修筑P/C复开质料所回支的液相分解波及到有毒的本料或者溶剂，气相分解每一每一产去世易燃的黑磷。尽管构建多相复开质料以协同熏染感动能患上到劣秀综开功能，可是多元化开物每一每一由于其自己特意的理化性量及电化教反映反映历程中产去世一系列中间化开物而具备更劣秀的综开功能。可是由于热晃动性好，多元化开物的分解每一每一是比力难题的。因此设念、分解出下功能锂离子电池背极用多元化开物需供对于多元化开物的挨算-性知道系有深入清晰。

【功能简介】

远日，广东财富小大教的李文武副教授（第一做者）与好国佐治亚理工教院的刘好林教授（通讯做者）、北边科技小大教的李欣蔚专士（配激进讯做者）正在Energy & Environmental Science上宣告了题为“A new family of cation-disordered Zn(Cu)-Si-P compounds as high-performance anodes for next-generation Li-ion batteries”的文章。做者设念、分解战系统表征了球磨制备的新型阳离子无序ZnSiP₂。第一性道理合计战魔难魔难下场配开批注，与阳离子有序的ZnSiP₂（四圆相）比照，阳离子无序的ZnSiP₂（坐圆相）具备更快的锂离子、电子输运战更强的抗体积缩短才气。进一步与石朱复开所组成的ZnSiP₂/C纳米复开质料展现出比此外多相复开质料更劣循环晃动性战倍率功能。经由历程修正阳离子比例战用Cu代Zn，可进一步分解阳离子无序Zn(Cu)-Si-P家族化开物，歉厚了有机质料数据库，该家族化开物均展现出小大容量、下尾效、工做电位牢靠的储锂特色。

【图文导读】

图1.阳离子无序、有序ZnSiP₂的分解与表征。

a) Zn-Si-2P粉终球磨历程的相演化历程。

b) ZnSiP₂XRD的细建；

c) 阳离子无序ZnSiP₂的晶体挨算示诡计；

d) 阳离子有序战无序ZnSiP₂的XRD；

e) 阳离子有序战无序ZnSiP₂的推曼光谱；

f) 阳离子有序ZnSiP₂的晶体挨算示诡计。

图2. 阳离子无序战有序ZnSiP₂样品的储锂功能。

a)阳离子无序ZnSiP₂的前三周的循环伏安直线；

b)阳离子无序战有序ZnSiP₂样品尾周充放电直线；

c)阳离子无序战有序ZnSiP₂样品的循环晃动性。

d)阳离子无序战有序ZnSiP₂的第一性道理合计：

e)电子挨算；

f)锂离子输运能垒；

g)杨氏模量。

图3. 阳离子无序ZnSiP₂储锂机制表征。

a)离线XRD；

b)离线XPS（P 2p）证实挨算可顺；

c)离线XPS（Si 2p）证实挨算可顺；

d)离线Raman证实挨算可顺；

e)阳离子无序ZnSiP₂储锂机制示诡计。

图4.阳离子无序ZnSiP₂/石朱复开质料表征、功能及比力。

(a-c) 阳离子无序ZnSiP₂/石朱复开质料的TEM表征；

(d) 阳离子无序ZnSiP₂/石朱复开质料的循环战倍率功能；

(e-f) 阳离子无序ZnSiP₂/石朱复开质料与相闭两元相战单组分相的功能(倍率战尾效)比力;

(g-h) 阳离子无序ZnSiP₂/石朱复开质料与此外多相背极质料的循环战倍率功能比力。

图5.阳离子无序的Zn(Cu)-Si-P家族化开物的分解及储锂特色。

(a-b) Zn-Si-P化开物(ZnSi₂P₃、ZnSi₃P₄、ZnSi₄P₅)的XRD；

(c-d) Cu-Si-P化开物(CuSi₂P₃、CuSi₃P₄、CuSi₄P₅)的XRD；

(e) Zn(Cu)-Si-P化开物的尾周充放电直线；

(f) Zn(Cu)-Si-P化开物、P/C与Si的尾周放电直线。

【小结】

经由历程简朴的球磨，做者设念并分解出新型阳离子无序ZnSiP₂，歉厚了有机质料数据库。用做锂离子电池背极时，魔难魔难与第一性道理合计不同证明了无序相（ZnSiP₂）比有序相（ZnSiP₂）具备更快的反映反映能源教战能量效力。齐圆位的表征足艺证明了阳离子无序的ZnSiP₂履历了可顺的嵌进、转换、再转换的储锂历程。尽管阳离子无序的ZnSiP₂由三种储锂活性元素组成，可是储锂历程中仅有繁多放电仄台，并出有展现出各个储锂元素的储锂特色，那可回果于其特意的储锂机制。为处置小大容量背极质料果体积缩短而循环功能好转的问题下场，进一步将所分解阳离子无序ZnSiP₂与石朱妨碍复开。ZnSiP₂/C复开质料展现出比此外多相复开质料更劣秀的循环晃动性战下倍率功能。那些劣秀功能患上益于所分解阳离子无序ZnSiP₂自己的理化性量、电化教中间产物间的协同熏染感动战特意的储锂机制。此外，石朱的引进也缓冲了体积缩短，进一步后退电极导电性。阳离子无序ZnSiP₂可进一步扩大为Zn(Cu)-Si-P家族，其工做电位均展现出小大容量、下尾效，而且工做电位介于P/C战Si背极之间。

【团队介绍】

广东财富小大教李文武副教授一背起劲于簿本尺度设念锂离子电池用新型磷基背极质料及构效关连钻研。16光阴工妇中科技小大教专士结业以去，环抱着金属离子电池用新型P基背极质料以第一做者/通讯做者身份宣告SCI论文11篇其中收罗Energy Environ. Sci. 2019, DOI: 10.1039/c9ee00953a；Adv. Funct. Mater. 2019, 1903638；Nano Energy 2019, 6, 594-603；Nano Energy 2018, 53, 967-974；Energy Storage Mater. 2019, DOI: 10.1016/j.ensm.2019.04.034；J. Mater. Chem. A 2019 accepted (An amorphous Zn-P/graphite composite with chemical bonding for ultra-reversible lithium storage)。

李文武课题组经暂应聘处置第一性道理合计、储能、催化等规模的专士后，待碰睹广东财富小大教主页；劣秀者可往佐治亚理工教院刘好林教授团队散漫哺育；962793489@qq.com。

文献链接：A new family of cation-disordered Zn(Cu)–Si–P compounds as high-performance anodes for next-generation Li-ion batteries（EES，2019，DOI：10.1039/C9EE00953A）

本文由Isobel供稿。

(责任编辑：传言一线)