杨剑：层状SbPO4/还原氧化石墨烯—钠离子电池新型负极材料

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钠离子电池与锂离子电池相比具有储量丰富的优势，和化学性质活泼、半径大和质量较重的弱势。与此同时，目前市面上常用的碳负极和研究较多的过渡金属氧化物，并不能满足钠离子电池的负极要求。研究发现，基于合金化反应的负极材料Sb，Sb2S3，Sn，SnO2，SnSx等材料，具有较高的理论容量。然而，这些材料经常在循环时经受大量的体积变化和结构应变/应力，这很容易诱发结构解构、颗粒粉碎，从而降低性能。然而，PO43-阴离子的结构稳定、可缓冲循环时的体积变化，提高材料的循环稳定性。因此本文首次将层状结构SbPO4作为钠离子电池的负极材料进行了分析和测试。

近日，山东大学的杨剑和北京大学的高鹏等人，首次将层状结构SbPO4作为钠离子电池的负极材料，对还原氧化石墨烯负载SbPO4纳米棒（SbPO4/rGO）进行了研究。本文采用原位透射电子显微镜研究发现，第一次放电时纳米棒的直径方向发生巨大膨胀,长度方向的变化则相对较小。采用原位X射线衍射（XRD）和选区电子衍射（SAED）分析其原因是SbPO4还原为Sb并继续合金化导致。在0.5 A g-1的电流密度下，SbPO4/rGO在半电池和全电池中循环100次后，容量保持率都为99％。在半电池和5 A g-1下，其比容量为214 mA h g-1；在全电池和5 A g-1下，其比容量为134 mA h g-1。此外，在全电池1.2 kW Kg-1的功率下，基于正负极活性物质质量的能量密度可达到99.8 W h Kg-1，是非常有前景的电极材料。相关成果以“Layered-Structure SbPO4/Reduced Graphene Oxide: An Advanced Anode Material for Sodium Ion Batteries”为题发表在ACS Nano上。

本文通过简单的溶剂热反应和低温退火，成功地将SbPO4纳米棒沉积在还原氧化石墨烯（SbPO4/rGO）上。然后，采用一系列原位/离位技术证实了在0.01-1.5 V之间，Sb与Na3Sb逐步发生合金化/脱合金化。这种独特排列的层状结构，使得体积膨胀优先在SbPO4纳米棒的直径方向。在0.1A g-1下，SbPO4/rGO的比容量为323mA h g-1。在10 A g-1时，容量仍然有~127 mA h g-1。在0.5 A g-1下，循环100次后，容量保持率保持在~99％，表现出具有出色的循环稳定性。这种优异的性能与rGO的性能有关，其有效地增强电子传导性、促进适应体积变化、并抑制Sb的剥离。最后，作者将SbPO4/rGO与Na3V2(PO4)3/C配对，形成全电池发现，其平均电压为2.6 V；在0.5 A g-1下，全电池循环100次后，容量保持率保持在99.2％；即使在1.2kW Kg-1功率下，仍然存在99.8 W h Kg-1的能量密度，展现出良好的应用潜力。

文献链接：Layered-Structure SbPO4/Reduced Graphene Oxide: An Advanced Anode Material for Sodium Ion Batteries（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b08065）。