鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品以及電動汽車中，但是鋰離子電池由于價(jià)格較高，在電網(wǎng)級大規(guī)模儲能的應(yīng)用上受到限制。由于鈉資源豐富，鈉和鋰的物理化學(xué)性質(zhì)相似，鈉離子電池成為了非常有潛力的鋰離子電池替代品，但是簡單的采取現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)設(shè)計(jì)高性能鈉離子電池是行不通的，這和鈉離子半徑比鋰離子半徑更大有關(guān)，設(shè)計(jì)出高性能鈉離子電池負(fù)極材料是鈉離子電池領(lǐng)域面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。紅磷作為極具潛力的鈉離子電池負(fù)極材料具有大約2600mAhg-1的高理論容量，但是紅磷極差的導(dǎo)電性以及在充放電過程中巨大的體積變化嚴(yán)重抑制了其在鈉離子電池中的應(yīng)用。

山東大學(xué)邊秀房教授團(tuán)隊(duì)利用沸騰法在石墨烯上制備出了納米多孔紅磷作為高性能鈉離子電池負(fù)極材料，首先利用乙二醇和三碘化磷反應(yīng)在石墨烯上生成紅磷，生成紅磷的過程中需要加入形核抑制劑抑制紅磷形核長大，避免生成大塊紅磷，因?yàn)槿芤褐蟹序v法制備多孔不適合大塊顆粒，然后加熱至溶液沸騰，產(chǎn)生氣泡，氣泡不斷長大脫離，在此過程中液體中的紅磷以氣泡為模板在石墨烯上生成了納米多孔紅磷。

紅磷的納米多孔結(jié)構(gòu)既可以緩沖充放電過程中的體積變化，又可以增大電極與電解液的接觸面積，縮短鈉離子運(yùn)動距離。因此納米多孔紅磷@石墨烯復(fù)合材料作為鈉離子電池負(fù)極，具有優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能，這是因?yàn)槭┛梢源蟠筇岣唠姌O導(dǎo)電性，當(dāng)電流密度為3465.28mAgcomposite-1循環(huán)1500周后，其容量依然可以保持524.1mAhgcomposite-1。沸騰法為制備納米多孔材料提供了新的指導(dǎo)方案。

納米多孔紅磷石墨烯復(fù)合材料作為高性能鈉離子電池負(fù)極材料

該成果近期發(fā)表在ASCNano上，文章第一作者為山東大學(xué)劉帥博士，邊秀房教授與馮金奎副教授為共同通訊作者。

近年來，邊秀房教授課題組主要從金屬的熔體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)性研究出發(fā)，根據(jù)熔體團(tuán)簇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新型納米材料，在高性能電池電極材料、磁性液體等新材料開發(fā)與研制方面走出了新路；馮金奎副教授課題組主要從事先進(jìn)能源材料的制備與性能研究工作，在電池性能提高方面具有雄厚的基礎(chǔ)。這兩個(gè)課題組的密切合作，充分發(fā)揮了材料制備和能源學(xué)科相互交叉的優(yōu)點(diǎn)，這種探索有利于研究生知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)造性發(fā)揮，劉帥在博士期間以第一作者發(fā)表的9篇SCI論文影響因子總和達(dá)到110。邊秀房教授與馮金奎副教授課題組在熔體結(jié)構(gòu)以及高性能電池電極材料等方面已取得系列成果，并發(fā)表在EnergyEnviron.Sci.、ASCNano、NanoEnergy等學(xué)術(shù)期刊上，引起了國際同行的廣泛關(guān)注，提升了山東大學(xué)在熔體結(jié)構(gòu)、去合金化等領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)影響。上述研究得到國家自然科學(xué)基金以及材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。

科研思路分析

Q：這項(xiàng)研究的想法怎么產(chǎn)生的？

A：鈉離子電池電極材料在充放電過程中發(fā)生較大的體積膨脹問題是目前面臨的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，納米多孔材料可以緩沖電極材料的體積變化，縮短離子運(yùn)動距離，增加電極與電解液的接觸面積，我們之前從熔體結(jié)構(gòu)出發(fā)利用去合金化技術(shù)制備了納米多孔銻、納米多孔鍺、鉍納米棒一系列高性能電極材料，需要鑄造、甩帶、去合金化等過程，我們就考慮能否直接做出納米多孔材料，我們受到了鋁合金發(fā)泡工藝以及燒開水時(shí)候沸騰冒泡的啟發(fā)，就設(shè)計(jì)了沸騰法制備納米多孔材料的方案，經(jīng)過不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，最終制備出了納米多孔紅磷@RGO材料作為高性能鈉離子電池負(fù)極材料。

Q：本項(xiàng)研究成果可能的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

A：本文中的沸騰法制備納米多孔紅磷材料理論上來講是有希望擴(kuò)展到其它納米多孔材料（納米多孔硅等）的，制備方法較為簡單，可以提高電極材料的性能，在能源催化等領(lǐng)域是非常有應(yīng)用前景的。