王春刚课题组：大规模合成超大孔体积的均匀分布的蜂窝状分层微孔碳纳米球

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众所周知，锂离子电池（LIBs）已在便携式电子设备等器件中大规模应用。最近，由于金属钠含量高且成本低廉，使得钠离子电池（SIBs）被广泛关注。目前，已经提出了许多策略来开发用于高性能LIBs和SIBs的负极材料。其中，由于具有低成本和高理论容量的红磷（P）被认为是LIBs和SIBs最有希望的负极候选物。然而，红磷在放/充电过程中具有较差的电导率和巨大的体积变化，导致了较差的动力学、较大的极化和低的活性物质利用率，以及容量急剧衰减。
       然而，将红磷与多孔碳材料结合既可以提高电导率又适应了体积变化。但是单孔碳材料不能满足要求，因为其负载红磷的量不足和红磷易渗透堵塞孔道，导致循环性能差和电极/电解质接触面积减小。虽然分级微介孔碳材料中的微孔不仅可以强力吸附红磷纳米颗粒，而且还可以将红磷限制在纳米级。但是大多数分级微介孔碳材料的微孔分布不均匀，导致红磷纳米颗粒的尺寸不均匀，在循环过程中易引起团聚。因此，在分级微介孔碳材料中形成均匀分布的微孔以获得均匀的超细红磷是提高其电化学性能的有效方法。

       近日，东北师范大学的王春刚教授和Lu Li（共同通讯作者）联合报道了一种可以大规模设计并合成具有超大孔体积（3.258 cm-3 g-1）的均匀分布的蜂窝状分层微孔碳纳米球（HHPCNS）的简便方法。其中，超大的孔体积为负载红磷及其体积膨胀提供了足够的空间，并且微孔的均匀分布使红磷能够均匀地负载。所制备的HHPCNSs/P复合材料显示出极高的容量（在0.1 A g-1时，LIBs和SIBs分别为2463.8和2367.6 mA h g-1）、出色的速率性能（在10 A g-1时，LIBs和SIBs分别为842.2和831.1 mA h g-1）和优异的循环稳定性（在2和5 A g-1时，LIBs在1000次循环后分别为1201.6和938.4 mA h g-1，而SIBs在1000次循环后分别为1269.4和861.8 mA h g-1）。
        此外，当分别与LiFePO4和Na3V2(PO4)3正极组合使用时，锂/钠离子全电池显示出高容量、优异的倍率和循环性能，从而揭示了HHPCNSs/P复合材料的实用性。这些优异的电化学性能是由具有超大孔体积的蜂窝状碳网络、均匀分布的分级微介孔碳纳米结构、出色的电导率和纳米结构稳定性而引起的，比目前已报道的用于LIBs和SIBs的P/C材料要好很多。该研究成果以题为“Encapsulating Red Phosphorus in Ultralarge Pore Volume Hierarchical Porous Carbon Nanospheres for Lithium/Sodium-Ion Half/Full Batteries”发布在国际著名期刊ACS Nano上。


         王春刚，东北师范大学教授，博士生导师，教育部新世纪人才。2001年于吉林师范大学获得学士学位，2004年于东北师范大学获得硕士学位，2007年于东北师范大学获得博士学位，2007年10月至2009年3月在美国普渡大学从事博士后研究。主要研究方向是多功能纳米材料的制备及在重大疾病诊治和能源中的应用研究。以第一作者通讯联系人身份在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.,Small, J. Mater. Chem. A, B, Chem.Commun., Chem. Eur. J., Nanoscale, ACS Appl. Mater. Interfaces等学术期刊上发表了60多篇SCI论文，近五年, 主持科技部 “863”子课题, 教育部新世纪人才支持计划项目, 国家自然科学基金面上项目, 吉林省中青年科技创新领军人才及团队等项目。