锂离子电池黑磷负极的储能优势及其优化的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220324

摘要/Abstract

摘要：

在减少碳排放实现碳中和的新能源发展背景下，以锂离子电池为代表的动力电池被赋予更高期望，探索开发满足高容量、高倍率和高稳定性的新材料已然成为发展关键。石墨负极和硅碳负极目前发展较为成熟，并保持着各自优势。黑磷作为新型储能材料，依靠自身二维层状结构和较高的锂化电位，展现出在实现超快充电方面的突出优势，但也存在体积膨胀等问题。针对黑磷负极存在的问题，研究者们从各维度进行优化研究，包括结构优化、表界面优化以及预锂化策略。本文首先从各角度综合论证了黑磷可以作为超快充电锂离子电池负极的可能性，进而综述了针对黑磷负极的优化进展，并提出自己的观点和建议，指出黑磷负极面临的挑战和发展方向，展望了黑磷负极的发展前景。

关键词: 黑磷, 锂离子电池, 负极材料, 超快充电

Abstract:

In the context of the development of new energy sources to reduce carbon emissions and achieve carbon neutralization， power batteries represented by lithium-ion batteries are given higher expectations. The development of electrode materials with high capacity， high multiplicity and high stability is a key step to achieve this goal. Graphite cathodes and silicon carbon cathodes are relatively mature at present， and maintain their respective advantages. Black phosphorus has two-dimensional layered structure and high lithium potential， which shows outstanding advantages in realizing extremely fast charging， but there are also some problems such as volume expansion. In view of the problems of black phosphorus anode， researchers studied the optimization from various dimensions， including structure optimization， surface interface optimization and the pre-lithiation strategy. In this paper， the possibility that black phosphorus can be used as anode electrode of extremely fast charging lithium ion battery is demonstrated， the optimization progress of black phosphorus negative electrode is then reviewed， and its own views and suggestions are put forward. The challenges and development direction of black phosphorus anode electrode are pointed out， and the development prospect of black phosphorus anode electrode is prospected.

Key words: Black phosphorus, Lithium-ion battery, Anode material, Ultra-fast charging

中图分类号:

O646

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图/表 9

图1 石墨、硅和黑磷基本性质对比

Fig.1 Comparison of basic properties of graphite， silicon and black phosphorus

图2 硅晶体放电比容量及其相变过程［34］

Fig.2 Discharge specific capacity and phase transition process of silicon crystal［34］

图3 Li+扩散系数及磷化物相变产物与电位关系［65］

Fig.3 Li+ diffusion coefficient and phosphide phase change products as a function of potential［65］

图4 黑磷放电比容量及其相变过程［34］

Fig.4 Discharge specific capacity and phase transition process of black phosphorus［34］

表1 超快充电材料及其性能对比

Table 1 Ultrafast charging materials and their performance comparison

Active materials	First cycle reversible specific capacity/（mA·h·g^-1）	Initial coulomb efficiency/%	Ampere density/（A·g^-1）/number of cycles/capacity retention rate/%	Ref.
Graphite	224	99.8	4 C/200/98.2	［42］
PG-SPS	1 302	60.2	10/1 000/33.2	［67］
BP-G/PANI	1 650	76	13/2 000/26.7	［68］

图5 形成P—C等化学键的XPS表征谱图［71］

Fig.5 XPS spectra of forming P—C chemical bond［71］

图6 P—C键含量不同材料的循环性能对比［75］

Fig.6 Comparison of cyclic properties of materials with different P—C bond contents［75］

图7 FEC变量下的CV曲线对比［94］

Fig.7 CV curves comparison of FEC with different contents［94］

表2 不同优化策略下电池的性能对比

Table 2 Comparison of battery performance under different optimization strategies

Active materials	Optimization policy	Initial coulomb efficiency/%	First cycle reversible specific capacity/（mA·h·g^-1）	Ampere density/（A·g^-1）\|number of cycles/capacity retention rate/%	Ref.
L-BP-S/Super P	BP Nano-crystallization	40.2	441.1	1.0/200/91.7	［69］
BPQDS/N-graphene	BPQDS	76.8	1 583	0.5/100/80.3	［70］
BP/G/CNTs	Conductive frame	73.4	1 375	2.0/3 000/40.0	［76］
BPC	Conductive frame	90.5	2 512.4	1.0 C/100/63.4	［77］
BP-GO-PANI	Conductive coating	38	884	5.0/2 000/108.4	［71］
P/CNT-10% LiF	Pre-lithiation	81	1 330	0.2/500/58.9	［95］

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