鈉離子電池與鋰離子電池相比具有儲量豐富的優(yōu)勢，但存在化學(xué)性質(zhì)活潑、半徑大和質(zhì)量較重的缺點。與此同時，目前常用的碳負極和過渡金屬氧化物，并不能滿足鈉離子電池的負極要求。研究發(fā)現(xiàn)，基于合金化反應(yīng)的負極材料，如：Sb、Sb2S3、Sn、SnO2、SnSx等等，往往具有較高的理論容量。然而，這些材料經(jīng)常在循環(huán)時經(jīng)受大量的體積變化和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而誘發(fā)結(jié)構(gòu)坍塌、顆粒粉化，導(dǎo)致性能降低。因此，可以利用PO43-陰離子較大的體積優(yōu)勢來設(shè)法穩(wěn)定活性物質(zhì)，緩沖體積變化帶來的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。目前這種基于磷酸鹽的負極材料報道很少。

近日，北京大學(xué)的高鵬教授（點擊查看介紹）和山東大學(xué)的楊劍教授（點擊查看介紹）（共同通訊作者）課題組，率先對層狀結(jié)構(gòu)SbPO4作為鈉離子電池的負極材料進行了分析和測試。通過簡單的溶劑熱反應(yīng)和低溫退火，成功地將SbPO4納米棒沉積在還原氧化石墨烯（SbPO4/rGO）上。并用原位透射電子顯微鏡（TEM）對納米棒的生長機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)首次放電時納米棒的直徑方向發(fā)生巨大膨脹，長度方向的變化則相對較小（圖一）。采用原位X射線衍射（XRD）和離位選區(qū)電子衍射（SAED）對其充放電反應(yīng)機制進行了分析，證實了在0.01-1.5V之間，Sb（Na3Sb）逐步發(fā)生合金化（脫合金化）反應(yīng)（圖二）。接下來對電化學(xué)性質(zhì)的探究中發(fā)現(xiàn)，在0.5Ag-1的電流密度下，SbPO4/rGO在半電池中循環(huán)100次后，容量保持率都為99％（圖三）。在1Ag-1的電流密度下，其循環(huán)壽命可達1000圈，而比容量依然維持在100mAhg-1。

在半電池測試的基礎(chǔ)上，他們進行以之作為負極，進行了全電池的測試。其平均電壓為2.6V；在0.5Ag-1下，全電池循環(huán)100次后，容量保持率保持在99.2％；即使在1.2kWKg-1功率下，仍然存在99.8WhKg-1的能量密度，該性能使SbPO4/rGO材料成為極具潛力的電極材料。

該研究成果近期發(fā)表在美國化學(xué)會的著名刊物ACSNano上。第一作者是山東大學(xué)的潘軍同學(xué)和北京大學(xué)/哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳樹林同學(xué)，高鵬研究員（北京大學(xué)）和楊劍教授（山東大學(xué)）為共同通訊作者。研究過程得到了山東大學(xué)理論化學(xué)所付強老師的重要計算支撐。