Forskare vid Toyohashi tekniska universitet har visat elektrokemisk prestanda hos litiumjonbatterier (LIB) med hjälp av fosforinkapslade kolnanorörelektroder, där röd fosfor med hög kapacitet införs i det inre avståndet mellan kolnanorör (CNT). Elektroderna indikerade en förbättring av den elektrokemiska reaktiviteten hos röd fosfor när tillgängliga litiumjoner, d.v.s. nanoporer, bildades på sidoväggarna i CNT:erna där den röda fosforn var inkapslad. Vidare, laddningsurladdningsprofilerna och strukturanalysen avslöjade reversibla elektrokemiska reaktioner och den relativt höga strukturella stabiliteten för röd fosfor i nanorören även efter den 50:e laddningsurladdningscykeln. Laddningsurladdningskapaciteten visar ett värde två gånger eller högre än grafit som används i kommersiella LIB. Därför, ett nytt elektrodmaterial för LIB med hög kapacitet föreslås.

Röd fosfor har uppmärksammats som ett högre kapacitivt elektrodmaterial för LIB eftersom det kan leverera en teoretisk kapacitet ungefär sju gånger högre än grafit som används som ett kommersiellt elektrodmaterial för LIB. Den stora skillnaden i kapacitet antas bero på en acceptabel mängd litiumjoner i grafitstrukturerna för LiC ₆ eller fosfor för Li ₃ P. Men röd fosfor genomgår enorma volymetriska förändringar, pulverisering, och avskalning under litiumjoninsättning och extraktionsprocesser, vilket resulterar i snabb kapacitetsblekning på grund av minskningen av mängden elektrokemiskt reaktiv röd fosfor. Dessutom, medan elektroner rör sig på elektroden under litiumjoninsättning/extraktion, röd fosfor har en nackdel när det gäller energiförlust på grund av dess låga elektroniska konduktivitet.

Som visas i fig. 1 (vänster), Tomohiro Tojo och hans kollegor vid Institutionen för elektrisk och elektronisk informationsteknik, Toyohashi tekniska universitet, har syntetiserat unika strukturer där röd fosfor inkapslas i det inre avståndet mellan CNT:er för att förhindra att det avskalas från elektroden och förbättra dess elektroniska konduktivitet. För att förbättra den elektrokemiska reaktiviteten hos röd fosfor genom tillgängliga litiumjoner, nanoporer ( <5 nm) bildades också på sidoväggarna hos de fosforinkapslade CNT:erna som visas i fig. 1 (höger). Efter fosforinkapsling, Fig. 1 (vänster) visar att fosforatomerna fördelades inuti nanorören, bekräftar den strukturella stabiliteten hos röd fosfor.

Med hjälp av fosforinkapslade CNT-elektroder, en reversibel kapacitet visade cirka 850 mAh/g vid den femtionde laddnings-urladdningscykeln, som visas i fig. 2 (vänster). Detta var ett värde minst två gånger högre än grafitelektrodernas värde. Figur 2 (till höger) visar det uppskattade förhållandet mellan laddnings- och urladdningskapacitet (Coulombic -effektivitet) för> 99% efter den tionde cykeln och de efterföljande cyklerna, vilket indikerar en hög reversibilitet av laddningsurladdningsreaktioner på röd fosfor. Dock, laddningsurladdningskapaciteten minskade gradvis med ökande cykelantal på grund av dissociationen av vissa P-P-bindningar och andra sidreaktioner på ytan av fosfor och CNT. Intressant, den fosforinkapslade CNT med nanoporer underlättade den betydande förbättringen av elektrokemisk prestanda jämfört med den fosforinkapslade CNT utan nanoporer. Detta föreslås bero på den höga reaktiviteten hos röd fosfor med litiumjoner genom nanoporerna på sidoväggarna. Efter laddnings-urladdningscyklerna, röd fosfor observerades vara inne i nanorören, som är fallet som visas i fig. 1 (vänster).

Vi har föreslagit fosforinkapslade CNT som ett elektrodmaterial för LIB med hög kapacitet, även om ytterligare förbättringar i strukturerna krävs för att uppnå långsiktig cykling utan att kapaciteten bleknar. Ytterligare studier kommer att utföras om användningen av sådana elektroder.