华科李会巧EEM：兼具高倍率、良好稳定性和耐低温的锑/磷固溶体

v-suan • 2023年10月15日下午9:58 • 顶刊解读 • 阅读 17

在合金型负极中，单质锑（Sb）具有合适且安全的平台、简单的锂化途径、小电压极化、高电导率和优异的循环稳定性。然而，挑战在于其较低的固有容量（660 mAh/g），不到硅的1/6。

华中科技大学李会巧等提出了一种无缝整合策略，通过将磷（P）的容量合并到锑中，可在不牺牲其循环稳定性和倍率性能的情况下良好地保持其电压平台。

华科李会巧EEM：兼具高倍率、良好稳定性和耐低温的锑/磷固溶体

图1. Sb₃₀P₃₀的表征

单质P具有大容量（2596 mAh/g）和与Sb匹配良好的平台（0.75 V）的巨大优势，有望在保持相同电压平台的同时扩大Sb的容量。此外，P原子可以堆叠成已知的同素异形体，它具有与Sb非常相似的独特褶皱层结构，这提供了基于P和Sb结构相似性将它们整合在一起的可能性。在这里，作者通过典型的高能机械球磨，成功合成了Sb_60-xP_x系列固溶体。有趣的是，研究发现P的加入大大增加了这种Sb₃₀P₃₀固溶体的容量（从660到993 mAh/g），同时保持了类似于单质Sb的单一和稳定的放电平台（~0.79V）。包括XPS、PDF、拉曼和EDS映射在内的各种实验表征表明，在这种材料中，P和Sb原子相互作用，形成了均匀的固溶体合金，而不是两种物质的简单混合。

华科李会巧EEM：兼具高倍率、良好稳定性和耐低温的锑/磷固溶体

图2. Sb₃₀P₃₀的常温电化学性能

因此，Sb₃₀P₃₀表现出优异的倍率性能（5000 mA/g时为807 mAh/g）和良好的循环稳定性（300次循环后仍保持821 mAh/g）。此外，这种Sb_60-xP_x合金在-30 °C时甚至可以提供621 mAh/g，因此可作为高能低温电池的替代负极材料。这种基于固溶体化学的独特无缝整合策略可以很容易地用于在类似电压下调节其他电极材料的容量。

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图3. 低温性能

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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