Carbothermic reduction synthesis of red phosphorus-filled 3D carbon material as a high-capacity anode for sodium ion batteries

材料科学 阳极 碳化 碳纤维 化学工程 电导率 电化学 复合材料 电极 冶金 化学 物理化学 复合数 工程类 扫描电子显微镜
作者
Jie Sun,Hyun‐Wook Lee,Mauro Pasta,Yongming Sun,Wei Liu,Yanbin Li,Hye Ryoung Lee,Nian Liu,Yi Cui
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:4: 130-136 被引量:170
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2016.04.003
摘要

Phosphorus is an attractive negative electrode material for sodium ion batteries due to its high theoretical specific capacity of 2596 mA h g−1. However, it suffers poor conductivity (10−12 S m−1), slow reaction dynamics, and large volume expansion (~440%) during the sodiation process, leading to rapid capacity decay upon cycling. Great attention has been devoted to improving the electrical conductivity via mixing phosphorus particles with conductive carbon materials, yet little emphasis has been placed on addressing the volume expansion issue, which may leads to the loss of electrical contact between the active material and the current collector, and the sequent deterioration of the overall electrochemical performance. Here, we demonstrate a carbothermic reduction method to fabricate ultrafine red phosphorus particles (~10 nm) embedded in a three-dimensional carbon framework, in which numerous interconnected nanopores are generated accompanied by the carbonization of polyethylene glycol. During discharge/charge processes, nanosized phosphorus particles accommodate the large stress without cracking, and decrease the diffusion length, as well as connect strongly with carbon framework, resulting in an improved conductivity, a reversible specific capacity of 1027 mA h g−1 (at 0.2 C) and high capacity retention of 88% over 160 cycles.
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