电子科大王志明教授团队＆伍伦贡大学窦士学院士团队ESM：红磷，钾离子电池负极材料中的一颗新星
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通讯作者：陈俊松*，窦世学*，王志明*
通讯单位：，电子科技大学，澳大利亚伍伦贡大学
论文DOI：10.1016/j.ensm.2021.07.030
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近期，电子科技大学的王志明教授、陈俊松教授与澳大利亚伍伦贡大学窦士学院士联合撰文，在国际能源领域知名期刊Energy Storage Materials上发表了题为“Red Phosphorus: A Rising Star of Anode Materials for Advanced K-Ion Batteries”的综述文章。
论文首先对红磷电极材料的合成方法进行了总结。然后, 作者系统地讨论了红磷负极在钾离子电池中的电化学机理和面临的核心挑战。接下来, 将注意力转移到红磷负极的性能改进上，呈现了一系列的提升策略。最后, 展望了红磷负极在钾离子电池中的未来研究方向, 指出了其发展前景。
背景介绍
随着全球经济和社会的快速发展，先进的储能技术在人们的日常生活中越来越重要。锂离子电池由于其相对于传统储能系统具有较高的能量密度，在电子器件中得到了广泛的应用。然而，由于锂资源在地壳上的储量稀少和分布不均，最先进的锂资源实验室在高商业成本方面受到很大限制。近年来，迅速兴起的钾离子电池旨在成为解决锂离子电池锂短缺问题的备选电池。一般来说，知识密集型企业有几个突出的优势。首先，较高的钾元素储量(1.5%)保证了钾离子电池长期可持续发展。其次，金属钾的氧化还原电位(-2.94 V vs . SHE)与金属锂的氧化还原电位(-3.04 V)非常接近，这意味着钾离子电池在高电压和高能密度器件中具有很大的潜力。此外，钾离子在碳酸丙烯酯(PC)电解质中的斯托克半径小于锂离子和钠离子，使得钾离子在电极和电解质中的快速迁移和扩散动力学得以实现。 近年来，钾离子电池的研究进入了快速发展的阶段，特别是对电极材料的研究。即使采用碳涂层、杂原子掺杂等策略之后，石墨基负极材料的性能也只是略有提高，远远不能满足要求。这应该是由于钾离子半径过大，不仅导致钾离子插层动力学缓慢，而且导致电极材料结构的不可逆破坏。到目前为止，钾离子过大的半径仍然是其他类型的阳极材料，如聚负离子化合物和软碳的所面临的巨大挑战。
转化材料具有理论容量高的突出优势，尤其是磷基材料。P有三种同素异形体:白磷、黑磷和红磷。白磷在化学上不稳定、剧毒、易燃，不能用于电化学储能。黑磷具有高的电导率和层状晶体结构的热力学稳定性，因此被应用于钾离子存储，然而，由于需要高温高压等严苛的条件，黑磷的合成非常困难。相比之下，红磷由于其低成本、无毒、化学性质稳定、易于合成等优点，被广泛应用于锂/钠离子电池中，具有很高的理论容量，同时作为储钾负极材料的实际容量可达843 mA h g-1
本文亮点
要点一：红磷负极材料的主要合成方法
要点二：红磷负极在钾离子电池中的电化学机理和面临的关键挑战
要点三: 提升红磷负极整体储钾性能的有用策略
通讯作者介绍
王志明 教授 国家领军人才/基础与前沿研究院院长/电子科技大学教授/博导
王志明教授1992年本科毕业于青岛大学，1995年硕士毕业于北京大学，1998年博士毕业于中国科学院半导体研究，迄今，在Nature Materials，Chemical Review Society，Science Advances，Nature Communications，PNAS，Accounts of Chemical Research，AM，Nano Today，ACS Nano，AEM，Nano Letters，AFM，Nano Energy，Small，JMCA等国际知名期刊发表论文500余篇，H-Index 50，目前是英国皇家化学会会士，英国工程技术局学会会士，英国物理学会会士，英国材料/矿物/矿业学会会士，美国光学学会会士，Nanoscale Research Letters创刊主编，并担任Nano-Micro Letters共同主编，电子科学与技术英文版主编。王志明教授的研究兴趣包括但不限于：半导体纳米材料生长和表征，光电元器件设计、制备和集成，纳米光源和光电探测器，清洁可持续能源转化与储存相关的材料设计与器件。
Shi Xue Dou is a Distingiushed Professor at University of Wollongong, UOW Research Ambassador Asia and the founding director of Institute for Superconducting & Electronic Materials at UOW. He received his PhD at Dalhousie University, Canada in 1984, DSc at the University of New South Wales in 1998 and was elected as a Fellow of the Australian Academy of Technological Science and Engineering in 1994. He was awarded the Australian Government’s Centenary Medal in 2003 and Australian Order of Member in 2019 for his contribution to materials science and engineering, multiple Australian Professorial Fellowships from 1993 to 2011, the Vice-Chancellors Senior Excellence Award in 2008, Outstanding Partnership Award in 2012, the ASTS Lifetime Achievement Award in 2018, Lifetime Achever by Australian Research Magazine in 2020 and the ICMC Lifetime Achievement Award in 2021. He is named as a highly cited researcher in materials science by Thomson Reuters since 2018 with citations of 61,000 and h-index of 116 (Scopus). His research focusses on energy and electronic materials. He has supervised and co-supervised 100 PhD students, more than 60 postdoctoral and visiting fellows. He is program leader for Auto CRC 2020 on electrification program and the on-going ARENA 2016-2021 on smart sodium storage system program
Prof. Jun Song Chen received his Ph.D. at Nanyang Technological University in 2012. After that, he worked at the Max Plank Institute of Colloids and Interfaces as an Alexander von Humboldt researcher from 2013 to 2014. He is now a Professor at the School of Materials and Energy, University of Electronic Science and Technology of China. His research interests include the design of nanostructured materials for energy-related applications, such as sodium-ion and lithium-sulfur batteries, and water splitting.
课题组介绍与招聘
王志明教授所领衔的清洁可持续能源转化与储存课题组，长期从事相关的材料设计与器件的研究，并长期招收具有物理、化学、材料科学与工程、电子科学与技术等学科背景的硕士、博士、博士后，欢迎有志之士到王志明教授的课题组从事电池、电容器、先进能源材料、柔性电子材料与器件等方面的研究。有意愿者可以支持到美国、加拿大、澳大利亚、德国、瑞士等国家以及知名课题组联合培养、访学和深造。
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