华中科技大学李会巧&翟天佑：GeP5纳米颗粒包覆于纳米纤维以提高其热/电化学稳定性

与单质磷相比，GeP₅具有良好的热稳定性和超高导电性以及高理论容量（> 2000mA h g^-1），并且作为锂离子电池电极材料展现出95％首次库仑效率。但是，高容量伴随着较大的体积膨胀，导致容量快速衰减。为了提高循环稳定性，设计特殊的纳米结构以减小体积应力并与碳基质复合以缓冲体积变化非常重要。然而，到目前为止很少报道纳米结构金属磷化物，因为它们难以通过常规湿化学方法或气体磷化合成。

近日，华中科技大学李会巧教授和翟天佑教授（共同通讯作者）课题组在ACS Appl. Mater. Interfaces发表题目为“Morphology Processing by Encapsulating GeP₅ Nanoparticles into Nanofibers toward Enhanced Thermo/Electrochemical Stability”的文章，该研究通过静电纺丝将GeP₅纳米颗粒嵌入到碳纳米纤维，成功地获得了均匀的碳包覆GeP₅纳米纤维（GeP₅@C-NF）。碳包覆GeP₅的热稳定性可提高到600°C以上，从而提高电池的安全性。纳米GeP₅嵌入碳基质中的纳米纤维结构可以极大地缓冲锂化过程中的大体积变化并提供快速电子传输，从而有助于延长循环寿命（200次循环后> 1000 mA h g^-1）和高倍率性能（在2000 mA g^-1下为803 mA h g^-1）。因此，该方法可以用来设计制备其他金属磷化物纳米材料。

图1. GeP₅@C-NF制备过程的示意图。纯GeP₅通过传统的高能球磨法制成粉末，然后将GeP₅粉末添加到含有PAN的DMF溶液中电纺以实现形貌处理。将合成的纳米纤维在Ar气氛下450℃下碳化6小时获得 GeP₅@C-NF。

图2. GeP₅@C-NF热处理前(a)和热处理后(b)(c)的SEM图像；GeP₅@C-NF(d)(e)的HRTEM图像；GeP₅@C-NF图(c)的元素分布图(f-i)；GeP₅@C-NF的XPS光谱：(j)总谱，(k)C 1s和(1)N 1s。

图3. (a)GeP₅粉末，PAN，热处理前GeP₅@PAN和在450℃下煅烧6小时后GeP₅@C-NF的XRD图; (b)PAN，GeP₅粉末和GeP₅@C-NF的热重分析(TG)曲线。

图4. GeP₅粉末(a)(c)和GeP₅@C-NF(b)(d)的放电/充电曲线和相应的dQ/dV曲线。

图5. (a) GeP₅@C-NF不同电流密度下的放电/充电曲线；GeP₅粉末和GeP₅@C-NF的倍率性能 (b) 和循环稳定性 (c)；(d)GeP₅@C-NF//LiCoO₂全电池的放电/充电曲线; (e) 图片GeP₅@C-NF//LiCoO₂全电池使14个LED红灯泡亮数小时。

图6. 电池测试后的形貌变化和EIS测试：(a)(b)(c)分别为未循环和50次循环后GeP5电极; (d)(e)(f)分别为GeP₅@C-NF电极和50次循环之后的电极。插图是它们相应的高倍放大图。

图7. 循环过程中纯GeP₅电极(a) 和GeP₅@C-NF(b) 电极的嵌锂-脱锂过程的示意图。

　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b10462