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麥賢敏/黨鋒AFM: 表面磷化的鋸末衍生碳電催化劑助力高性能鋰氧電池

麥賢敏/黨鋒AFM: 表面磷化的鋸末衍生碳電催化劑助力高性能鋰氧電池
強氧化劑中間體和充放電過程中副產物的形成是鋰氧電池(LOB)降解的主要挑戰,研究維持正極催化劑穩定性并避免形成副產物的簡便方法對于LOB的開發至關重要。
麥賢敏/黨鋒AFM: 表面磷化的鋸末衍生碳電催化劑助力高性能鋰氧電池
在此,西南民族大學麥賢敏教授、山東大學黨鋒教授等人制備了一種源自鋸末的碳催化劑并對其進行表面磷化處理以抑制碳與電解液/中間產物之間的腐蝕,這可以防止寄生反應形成副產物,并提高LOB中碳催化劑的反應動力學。
實驗和DFT計算表明,P摻雜位點可作為LOB中碳正極的長循環和高倍率穩定性的腐蝕保護劑和反應動力學促進劑。摻雜的P原子將優先取代吡咯-N位點中的N原子以形成石墨P-N位點,而不是石墨P-C位點。同時,石墨P-C和石墨P-N位點對于中間體LiO2的形成具有較寬的電壓范圍,導致放電產物Li2-xO2的形成。
此外,石墨P-N位點增強了碳基底的電子傳導性,可防止碳催化劑腐蝕副產物Li2CO3的形成從而實現長循環穩定性。

麥賢敏/黨鋒AFM: 表面磷化的鋸末衍生碳電催化劑助力高性能鋰氧電池

圖1. SPC催化劑的合成示意圖、優勢及表征
因此,鋸末衍生的P摻雜催化劑(SPC-1/SPC-2)在200 mA g-1的電流密度下最大放電容量為20 287.5 mAh g-1,電極的放電容量隨著P含量的增加而增加,同時沒有P摻雜的SC電極僅表現出8952.1 mAh g-1的放電容量。
此外,與SPC-1(175次循環)和 SC(97次循環)電極相比,SPC-2正極在2.3~4.6 V的電壓窗口及200 mA g-1下表現出出色的226次循環穩定性。同時,SPC-2在400 mA g-1下可循環161次,在600 mA g-1下可循環121次,在800 mA g-1下可循環75 次。總體而言,表面磷化顯著有助于提高倍率性能和循環穩定性并抑制LOB碳電極的過電位,而源自天然木材的多孔結構為氧氣和離子傳輸提供了充足的路徑。

麥賢敏/黨鋒AFM: 表面磷化的鋸末衍生碳電催化劑助力高性能鋰氧電池

圖2. 三種鋰氧電池正極的性能對比
Surface Phosphatization for a Sawdust-Derived Carbon Catalyst as Kinetics Promoter and Corrosion Preventer in Lithium–Oxygen Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202111546

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