综述！钠离子电池用磷/碳负极材料的最新研究进展！

1成果简介

磷基阳极材料作为钠离子电池的负极材料，具有较高的理论比容量。然而，其较低的导电性使得必须与碳材料复合。磷/碳阳极中磷与钠的合金化过程会导致显著的体积膨胀，进而引发磷粉化及剥落，从而影响电池的循环寿命。缓解磷基材料的体积膨胀并增强磷与碳之间的界面结合是解决这些挑战的有效策略。本文，河北科技大学孙金峰副教授团队在《ACS Omega》期刊发表名为“Research Progress on Phosphorus/Carbon Anode Materials for Sodium-Ion Batteries”的综述，综述了磷/碳负极材料的最新进展，重点探讨了磷基材料的尺寸和结构控制、具有不同结构的碳材料的复合改性，以及磷/碳复合材料中的界面强化。对各种方法的分析和比较揭示了磷/碳负极材料的研究方法和设计策略，为提升钠离子电池的循环寿命提供了启示。

2图文导读

图1.磷基阳极材料改性研究策略示意图

2.1 磷–碳复合材料中红磷的尺寸与结构调控。

通过对磷-碳复合材料的尺寸和结构进行调控，可以有效缓解钠离子电池充放电循环过程中体积膨胀和粉化现象。球磨或蒸发-冷凝等技术可实现红磷颗粒尺寸和结构的精确调控，从而增大比表面积、缩短离子扩散路径并提升电解液与电极界面接触效率。这种对磷形态和结构的战略性优化，是提升磷/碳基复合材料作为钠离子电池先进负极材料电化学活性的关键方法。

2.2. 不同结构碳材料对磷基材料的复合改性。

碳材料因其优异的电导率、化学稳定性和丰富的资源，已被广泛应用于磷基复合材料系统中。将磷基材料与高导电性碳基体结合，不仅能提升红磷的整体导电性，还能通过定制的碳结构实现约束效应。这些结构约束有效抑制了磷的体积膨胀，从而显著提升了磷基钠离子电池负极的电化学性能。目前用于磷基材料复合改性的碳材料主要包括一维（1D）碳纳米纤维和纳米管，二维（2D）石墨烯纳米片， 以及三维（3D）碳纳米笼。表2系统性地比较了采用这些不同碳结构对磷基复合材料进行改性后，其电化学性能特征。

2.3. 磷基材料/碳复合材料的界面强化。

磷-碳复合材料通过优化碳结构，能够有效缓解体积膨胀并解决钠离子电池（SIB）负极的导电性限制。然而，磷（红色/黑色）与碳基体之间的界面粘合力较弱，常导致长期循环过程中磷的脱落，从而引发容量衰减。因此，强化磷-碳界面对于提升循环稳定性至关重要。目前改善界面结合的策略包括：

1. 保护性涂层（如导电聚合物、碳层）。

2. 通过化学相互作用形成P-C键。

3. 通过含氧功能基团构建P-O-C键。

4. 通过协同磷-碳/磷-氧-碳键合实现双界面强化。

5. 采用功能性粘合剂强化界面粘合。

6. 通过优化添加剂实现电解质界面稳定化。

图2、Comparison of the cyclic performance of enhancement policies on different interfaces.

3小结

综上所述，本研究表明，通过纳米化、碳材料复合及界面强化策略的协同设计，可显著提升钠离子电池中磷-碳负极材料的电化学性能。采用球磨或蒸发-冷凝法对红磷或黑磷进行纳米化处理，可有效缩短钠离子扩散路径并缓解体积膨胀。例如，包裹红磷系统的空心多孔碳纳米球在1.0 A g–1电流密度下经过1000次循环后，容量保持率超过76%。通过整合一维（1D）、二维（2D）或三维（3D）碳框架（如碳纳米管、石墨烯和碳纳米笼）构建导电网络和限制空间，可同时提升电子传输能力和机械支撑，进一步改善循环稳定性。在此基础上，引入P–C和P–O–C键可实现强共价键合，显著降低界面电阻并抑制活性材料剥离。同时，多功能水溶性粘合剂（如海藻酸钠、CMC）形成氢键网络以适应体积变化并防止电极开裂。当与含FEC的电解液系统结合时，可在原位形成稳定的NaF富集SEI层，减少副反应并提升初始库仑效率。最具前景的策略是整合纳米限制结构、3D导电碳基体与化学键合-动态界面工程，实现“结构-组分-界面”三位一体设计。该方法为高性能、长循环寿命磷/碳负极的可扩展制备与实际应用奠定了基础。然而，尽管磷/碳复合材料在实验室规模的电化学性能（如高容量和长循环稳定性）方面表现卓越，但其大规模生产及钠离子电池（SIB）的实际应用仍面临关键挑战：

文献：
https://doi.org/10.1021/acsomega.5c00672

来源：材料分析与应用