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華科李會(huì)巧EEM:兼具高倍率、良好穩(wěn)定性和耐低溫的銻/磷固溶體

華科李會(huì)巧EEM:兼具高倍率、良好穩(wěn)定性和耐低溫的銻/磷固溶體
在合金型負(fù)極中,單質(zhì)銻(Sb)具有合適且安全的平臺(tái)、簡(jiǎn)單的鋰化途徑、小電壓極化、高電導(dǎo)率和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。然而,挑戰(zhàn)在于其較低的固有容量(660 mAh/g),不到硅的1/6。
華中科技大學(xué)李會(huì)巧等提出了一種無縫整合策略,通過將磷(P)的容量合并到銻中,可在不犧牲其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的情況下良好地保持其電壓平臺(tái)。

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圖1. Sb30P30的表征
單質(zhì)P具有大容量(2596 mAh/g)和與Sb匹配良好的平臺(tái)(?0.75 V)的巨大優(yōu)勢(shì),有望在保持相同電壓平臺(tái)的同時(shí)擴(kuò)大Sb的容量。此外,P原子可以堆疊成已知的同素異形體,它具有與Sb非常相似的獨(dú)特褶皺層結(jié)構(gòu),這提供了基于P和Sb結(jié)構(gòu)相似性將它們整合在一起的可能性。在這里,作者通過典型的高能機(jī)械球磨,成功合成了Sb60-xPx系列固溶體。有趣的是,研究發(fā)現(xiàn)P的加入大大增加了這種Sb30P30固溶體的容量(從660到993 mAh/g),同時(shí)保持了類似于單質(zhì)Sb的單一和穩(wěn)定的放電平臺(tái)(~0.79V)。包括XPS、PDF、拉曼和EDS映射在內(nèi)的各種實(shí)驗(yàn)表征表明,在這種材料中,P和Sb原子相互作用,形成了均勻的固溶體合金,而不是兩種物質(zhì)的簡(jiǎn)單混合。

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圖2. Sb30P30的常溫電化學(xué)性能
因此,Sb30P30表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能(5000 mA/g時(shí)為807 mAh/g)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(300次循環(huán)后仍保持821 mAh/g)。此外,這種Sb60-xPx合金在-30 °C時(shí)甚至可以提供621 mAh/g,因此可作為高能低溫電池的替代負(fù)極材料。這種基于固溶體化學(xué)的獨(dú)特?zé)o縫整合策略可以很容易地用于在類似電壓下調(diào)節(jié)其他電極材料的容量。

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圖3. 低溫性能
Seamlessly merging the capacity of P into Sb at same voltage with maintained superior cycle stability and low temperature performance for Li-ion batteries. Energy Environmental Materials 2021. DOI: 10.1002/eem2.12336

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