橡树岭国家实验室Small：用于锂离子电池的磷/碳复合材料的机械化学触发自供电快速加热合成

在材料合成领域，温度及其变化速率对产品性能有着决定性的影响，然而，对于极快速的温度变化（例如每秒1000°C）的研究仍然受限于传统加热设备的速率限制。近年来，"闪蒸焦耳加热"（FJH）技术突破了这一限制，通过在碳基底上利用电流快速加热化学前驱体，实现了超快速的加热和冷却，为纳米材料合成提供了新的途径。尽管如此，该技术依赖外部电源，且热量主要局限于材料表面，限制了其在需要内部均匀加热的应用。针对这一挑战，本研究提出了一种机械化学触发的自供能闪热方法，通过化学反应自身的放热实现快速均匀加热，为合成高性能材料开辟了新途径。

近日，美国橡树岭国家实验室的Sheng Dai教授和Tao Wang研究员团队在《Small Methods》上发表了题为“A Mechanochemically-Triggered, Self-Powered Flash Heating Synthesis of Phosphorous/Caron Composites for Li-Ion Batteries”的论文。本研究成功开发了一种机械化学触发的自供能快速加热技术，通过Mg3N2/C与P2O5的化学反应，在无需外部电源的情况下迅速产生高于1000°C的高温，制备出具有纳米多孔结构和均匀分布的磷/碳复合材料。该材料在锂离子电池中展现了卓越的电化学性能，包括高比容量、优异的循环稳定性和倍率性能，为快速加热技术在能源存储等领域的应用提供了新的可能性。

在本研究中，研究人员通过机械化学触发的自供能快速加热方法，成功合成了具有优异电化学性能的磷/碳(P/C)复合材料。该方法利用化学反应自身的焓变，通过Mg3N2/C与P2O5的模型反应，实现了快速均匀的加热过程。

图1：机械化学驱动的快速加热合成过程

图1a展示了MFH-P/C合成的示意图，通过球磨机将Mg3N2/C与P2O5混合，引发快速放热反应。图1b和1c中的原位温度监测显示，反应在大约10秒内迅速升温至1030°C，证实了快速加热效果。XRD分析（图1d）确认了反应产物中MgO和磷的形成，而热重分析（图S3）表明磷含量达到60%，接近理论比。图1e展示了通过调整反应物质量来调控峰值温度的尝试，显示了反应物质量和峰值温度之间的强相关性。

图2：MFH-P/C的形貌和结构特性

图2通过SEM和TEM图像揭示了MFH-P/C的多孔结构，由直径100-300 nm、厚度约30 nm的碗状碳片组成。EDS元素映射（图2e-g）显示了磷在碳基质中的高度均匀分布。这种独特的结构为材料提供了优异的电化学性能，包括高比表面积和多孔结构，有助于锂离子的快速传输和缓冲体积变化。

图3：MFH-P/C的化学状态分析

图3的拉曼光谱显示了MFH-P/C中碳的D和G带，以及磷的特征峰。XPS分析进一步确认了P─C键的存在，这对于提高材料的电化学性能和结构稳定性至关重要。这些分析结果表明，快速加热过程中形成了强的P─C化学键，有助于提高材料的电导率和结构稳定性。

图4：MFH-P/C的电化学性能

图4展示了MFH-P/C电极的循环伏安曲线、充放电性能和电压曲线。CV曲线显示了磷的锂化和脱锂过程，而充放电测试显示了高比容量和良好的循环稳定性。特别是在高电流密度下，MFH-P/C电极仍能保持较高的容量和稳定的电压平台，表明了其出色的倍率性能和循环稳定性。

图5：MFH-P/C的高面载量和全电池性能

图5展示了MFH-P/C在高面载量条件下的性能，以及与LiFePO4正极配对的全电池性能。高面载量测试结果表明，MFH-P/C电极能够维持高面积比容量，且电压曲线稳定，表明了其在实际应用中的潜力。全电池测试进一步证实了MFH-P/C在高电流密度下的稳定性和高容量保持率，展示了其作为高性能锂离子电池电极材料的应用前景。

本研究成功展示了一种机械化学驱动的自供能快速加热过程，采用Mg3N2/C复合物与P2O5之间的模型反应作为概念验证。通过利用这一瞬时放热反应的焓变，可以在商用球磨机中控制地实现快速加热效果，无需复杂的设备设置。这一过程的独特性质使得所制备的MFH-P/C材料展现出高度均匀分布的化学键合磷，在具有60%磷浓度的分级碳基质中。得益于其先进的结构特性，MFH-P/C在电化学锂存储性能方面表现出色，包括高比容量（0.2 A g−1时为1417 mAh g−1）、强劲的循环稳定性（2 A g−1下800次循环后为935 mAh g−1，保持率为91.6%）、高倍率能力（20 A g−1时为739 mAh g−1）、高面载量性能（100次循环后为3.6 mAh cm−2）以及全电池循环稳定性（100次循环后保持率为90%）。此项工作不仅拓宽了快速加热技术的概念，还有望在多个领域中得到应用。