碘诱导的红色磷在氮掺杂多孔碳中的负载作用，作为锂离子电池的负极材料

《Journal of Energy Storage》：Iodine-induced red phosphorus loading in nitrogen-doped porous carbon as anode for lithium-ion batteries

红磷/氮掺杂多孔碳复合材料通过碘催化VCC法实现，有效抑制体积膨胀并提升锂离子电池比容量至1235 mAh g?1，循环稳定性达72.5%。

　　红磷（Red Phosphorus, RP）作为一种新型的锂离子电池（Lithium-ion Battery, LIBs）负极材料，因其高理论比容量（约2600 mAh g?1）、较低的锂离子扩散势垒以及丰富的储量等优势，逐渐成为替代传统石墨材料的研究热点。然而，红磷在实际应用中仍然面临诸多挑战，如其自身的低电导率（约10?1? S m?1）、缓慢的锂化动力学以及在锂化过程中巨大的体积膨胀（约300%）。这些特性不仅影响了红磷材料的电化学性能，也限制了其在高能量密度电池中的广泛应用。因此，开发有效的策略以提升红磷负极的性能，成为当前研究的重要方向。

为了克服上述问题，研究人员提出了多种改性方法，包括通过设计多孔结构作为红磷的载体、表面涂层以及引入卤素催化剂等。其中，卤素催化剂的引入被认为是一种有前景的策略，它不仅可以提高红磷的转化效率，还可以改善其电化学行为。例如，碘元素在红磷的合成过程中被证明具有重要的催化作用，能够促进四聚磷（WP）向红磷的转化，并增强其结晶性。此外，碘的残留还能改善锂离子的扩散动力学，从而提升电池的整体性能。

在本研究中，采用了一种创新的策略，即通过将碘引入生物质衍生的氮掺杂多孔碳（Nitrogen-doped Porous Carbon, NPC）中，从而制备出一种高性能的红磷/碳（RP/C）复合负极材料（IP-NPC）。这种材料的制备过程基于一种称为气相沉积-转化（Vaporization-Condensation-Conversion, VCC）的方法。首先，通过简单的原料配比和热处理过程，从小麦粉中合成出具有独特分级多孔结构的氮掺杂多孔碳。该碳材料不仅具有较高的比表面积，还具备良好的结构设计性，能够为红磷提供一个稳定的微观环境。随后，通过VCC方法将红磷负载于该碳材料中，并利用碘作为催化剂，促进红磷的形成和结晶，同时减少其体积膨胀的影响。

实验结果表明，所制备的IP-NPC材料在电化学性能方面表现出显著的优势。首先，其可逆容量达到了1235 mAh g?1（基于负极材料的质量），远高于传统石墨材料的理论比容量（约372 mAh g?1）。其次，该材料的初始库仑效率为69.6%，表明其在首次充放电过程中具有较低的不可逆损失。更重要的是，在1.0 A g?1的高电流密度下，IP-NPC材料在300次循环后仍能保持72.5%的容量保持率，显示出良好的循环稳定性。这些性能的提升，主要归因于碘的引入所带来的多重效应。一方面，碘作为催化剂，能够有效促进四聚磷向红磷的转化，并提高其结晶度，从而改善其导电性。另一方面，碘的存在还能降低锂离子的扩散势垒，提高其在负极材料中的迁移速率，进而提升电池的倍率性能。

此外，该研究还探讨了碘对红磷负极材料的其他影响。例如，碘的引入能够增强红磷在碳基体中的固定能力，从而有效抑制其在充放电过程中的体积膨胀。这种体积膨胀通常会导致红磷颗粒的破碎，进而影响其与集流体的接触，降低电池的效率。通过将红磷限制在纳米尺度的碳骨架中，不仅能够缓解体积变化带来的结构破坏，还能提升其在电池中的利用率。与此同时，碘的引入还能够改善红磷负极的界面稳定性，减少其与电解液之间的副反应，从而延长电池的循环寿命。

在制备过程中，研究人员采用了一种简便且成本较低的方法，即利用小麦粉作为原料，通过尿素和草酸钾的混合以及适当的水处理，合成出具有分级多孔结构的氮掺杂多孔碳。这种方法不仅避免了传统合成方法中复杂的步骤和昂贵的原材料，还能够充分利用生物质资源，实现绿色可持续的材料合成。此外，该研究还强调了材料设计的重要性，通过合理的结构调控和元素掺杂，可以显著提升红磷负极的性能。

值得注意的是，本研究不仅关注材料本身的性能提升，还探讨了其在实际应用中的可行性。例如，通过引入碘作为催化剂，可以有效减少红磷在锂化过程中的体积膨胀，同时提高其电化学反应的效率。这种策略的提出，为未来开发高性能的红磷/碳复合负极材料提供了新的思路。此外，该研究还强调了在电池设计中，电解液成分和功能粘结剂的选择对界面稳定性的影响，这为进一步优化电池性能提供了理论支持。

综上所述，本研究通过引入碘作为催化剂，成功制备出一种具有优异电化学性能的红磷/碳复合负极材料。该材料不仅具备高比容量和良好的循环稳定性，还能有效抑制红磷在充放电过程中的体积膨胀，从而提升其在锂离子电池中的应用前景。同时，该研究也展示了利用生物质资源进行材料合成的可行性，为未来开发环保、低成本的高性能电池材料提供了重要的参考价值。