纳米多孔红磷石墨烯复合材料作为高性能钠离子电池负极材料

锂离子电池已经广泛应用于便携式电子产品以及电动汽车中，但是锂离子电池由于价格较高，在电网级大规模储能的应用上受到限制。由于钠资源丰富，钠和锂的物理化学性质相似，钠离子电池成为了非常有潜力的锂离子电池替代品，但是简单的采取现有的锂离子电池技术设计高性能钠离子电池是行不通的，这和钠离子半径比锂离子半径更大有关，设计出高性能钠离子电池负极材料是钠离子电池领域面临的严峻挑战之一。红磷作为极具潜力的钠离子电池负极材料具有大约2600mAhg-1的高理论容量，但是红磷极差的导电性以及在充放电过程中巨大的体积变化严重抑制了其在钠离子电池中的应用。

山东大学边秀房教授团队利用沸腾法在石墨烯上制备出了纳米多孔红磷作为高性能钠离子电池负极材料，首先利用乙二醇和三碘化磷反应在石墨烯上生成红磷，生成红磷的过程中需要加入形核抑制剂抑制红磷形核长大，避免生成大块红磷，因为溶液中沸腾法制备多孔不适合大块颗粒，然后加热至溶液沸腾，产生气泡，气泡不断长大脱离，在此过程中液体中的红磷以气泡为模板在石墨烯上生成了纳米多孔红磷。

红磷的纳米多孔结构既可以缓冲充放电过程中的体积变化，又可以增大电极与电解液的接触面积，缩短钠离子运动距离。因此纳米多孔红磷@石墨烯复合材料作为钠离子电池负极，具有优异的循环和倍率性能，这是因为石墨烯可以大大提高电极导电性，当电流密度为3465.28mAgcomposite-1循环1500周后，其容量依然可以保持524.1mAhgcomposite-1。沸腾法为制备纳米多孔材料提供了新的指导方案。

纳米多孔红磷石墨烯复合材料作为高性能钠离子电池负极材料

该成果近期发表在ASCNano上，文章第一作者为山东大学刘帅博士，边秀房教授与冯金奎副教授为共同通讯作者。

近年来，边秀房教授课题组主要从金属的熔体结构基础性研究出发，根据熔体团簇结构设计新型纳米材料，在高性能电池电极材料、磁性液体等新材料开发与研制方面走出了新路；冯金奎副教授课题组主要从事先进能源材料的制备与性能研究工作，在电池性能提高方面具有雄厚的基础。这两个课题组的密切合作，充分发挥了材料制备和能源学科相互交叉的优点，这种探索有利于研究生知识结构的优化和创造性发挥，刘帅在博士期间以第一作者发表的9篇SCI论文影响因子总和达到110。边秀房教授与冯金奎副教授课题组在熔体结构以及高性能电池电极材料等方面已取得系列成果，并发表在EnergyEnviron.Sci.、ASCNano、NanoEnergy等学术期刊上，引起了国际同行的广泛关注，提升了山东大学在熔体结构、去合金化等领域的国际学术影响。上述研究得到国家自然科学基金以及材料液固结构演变与加工教育部重点实验室的大力支持。

科研思路分析

Q：这项研究的想法怎么产生的？

A：钠离子电池电极材料在充放电过程中发生较大的体积膨胀问题是目前面临的严峻的挑战，纳米多孔材料可以缓冲电极材料的体积变化，缩短离子运动距离，增加电极与电解液的接触面积，我们之前从熔体结构出发利用去合金化技术制备了纳米多孔锑、纳米多孔锗、铋纳米棒一系列高性能电极材料，需要铸造、甩带、去合金化等过程，我们就考虑能否直接做出纳米多孔材料，我们受到了铝合金发泡工艺以及烧开水时候沸腾冒泡的启发，就设计了沸腾法制备纳米多孔材料的方案，经过不断调整实验参数，最终制备出了纳米多孔红磷@RGO材料作为高性能钠离子电池负极材料。

Q：本项研究成果可能的应用领域有哪些？

A：本文中的沸腾法制备纳米多孔红磷材料理论上来讲是有希望扩展到其它纳米多孔材料（纳米多孔硅等）的，制备方法较为简单，可以提高电极材料的性能，在能源催化等领域是非常有应用前景的。