華中科技大學李會巧&翟天佑：GeP5納米顆粒包覆于納米纖維以提高其熱/電化學穩定性

與單質磷相比，GeP₅具有良好的熱穩定性和超高導電性以及高理論容量（> 2000mA h g^-1），并且作為鋰離子電池電極材料展現出95％首次庫侖效率。但是，高容量伴隨著較大的體積膨脹，導致容量快速衰減。為了提高循環穩定性，設計特殊的納米結構以減小體積應力并與碳基質復合以緩沖體積變化非常重要。然而，到目前為止很少報道納米結構金屬磷化物，因為它們難以通過常規濕化學方法或氣體磷化合成。

近日，華中科技大學李會巧教授和翟天佑教授（共同通訊作者）課題組在ACS Appl. Mater. Interfaces發表題目為“Morphology Processing by Encapsulating GeP₅ Nanoparticles into Nanofibers toward Enhanced Thermo/Electrochemical Stability”的文章，該研究通過靜電紡絲將GeP₅納米顆粒嵌入到碳納米纖維，成功地獲得了均勻的碳包覆GeP₅納米纖維（GeP₅@C-NF）。碳包覆GeP₅的熱穩定性可提高到600°C以上，從而提高電池的安全性。納米GeP₅嵌入碳基質中的納米纖維結構可以極大地緩沖鋰化過程中的大體積變化并提供快速電子傳輸，從而有助于延長循環壽命（200次循環后> 1000 mA h g^-1）和高倍率性能（在2000 mA g^-1下為803 mA h g^-1）。因此，該方法可以用來設計制備其他金屬磷化物納米材料。

圖1. GeP₅@C-NF制備過程的示意圖。純GeP₅通過傳統的高能球磨法制成粉末，然后將GeP₅粉末添加到含有PAN的DMF溶液中電紡以實現形貌處理。將合成的納米纖維在Ar氣氛下450℃下碳化6小時獲得 GeP₅@C-NF。

圖2. GeP₅@C-NF熱處理前(a)和熱處理后(b)(c)的SEM圖像；GeP₅@C-NF(d)(e)的HRTEM圖像；GeP₅@C-NF圖(c)的元素分布圖(f-i)；GeP₅@C-NF的XPS光譜：(j)總譜，(k)C 1s和(1)N 1s。

圖3. (a)GeP₅粉末，PAN，熱處理前GeP₅@PAN和在450℃下煅燒6小時后GeP₅@C-NF的XRD圖; (b)PAN，GeP₅粉末和GeP₅@C-NF的熱重分析(TG)曲線。

圖4. GeP₅粉末(a)(c)和GeP₅@C-NF(b)(d)的放電/充電曲線和相應的dQ/dV曲線。

圖5. (a) GeP₅@C-NF不同電流密度下的放電/充電曲線；GeP₅粉末和GeP₅@C-NF的倍率性能 (b) 和循環穩定性 (c)；(d)GeP₅@C-NF//LiCoO₂全電池的放電/充電曲線; (e) 圖片GeP₅@C-NF//LiCoO₂全電池使14個LED紅燈泡亮數小時。

圖6. 電池測試后的形貌變化和EIS測試：(a)(b)(c)分別為未循環和50次循環后GeP5電極; (d)(e)(f)分別為GeP₅@C-NF電極和50次循環之后的電極。插圖是它們相應的高倍放大圖。

圖7. 循環過程中純GeP₅電極(a) 和GeP₅@C-NF(b) 電極的嵌鋰-脫鋰過程的示意圖。

　　論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b10462