克容量达mhg的新锂电负极材料丨激光诱导制备黑磷

克容量达1120mAh/g的新锂电负极材料丨激光诱导制备黑磷-石墨烯复合负极材料

传统黑磷复合材料制备往往需要复杂的化学处理和冗长的工艺流程，而该项研究则较为简单。研究人员首先通过溶剂辅助剥离法制备出少层黑磷(FLBP)悬浮液，将其均匀涂覆在柔性聚酰亚胺薄膜上，随后使用CO2激光(10.6 μm波长)进行扫描处理。

Fig1 激光诱导制备工艺示意图

在激光诱导过程中，激光能量同时实现了三重功效：一是纳米化改造，激光产生的机械应力将微米级黑磷片破碎为尺寸<100 nm的纳米颗粒，显著增加了活性位点数量，缩短了锂离子扩散路径；二是原位石墨烯生长，聚酰亚胺吸收激光能量后发生光热转化，释放碳化蒸汽并形成具有丰富孔隙的三维激光诱导石墨烯网络；三是共价键桥接，在激光高温作用下，黑磷与石墨烯之间形成稳定的P-C和P-O-C共价键，构建了牢固结构。

2. 结构解析

为了理解BP-LIG异质结构的性质，研究团队通过表征手段组合，从原子尺度到微米尺度全面解析材料特性。

形貌特征：SEM图像清晰展示了BP-LIG的三维多孔结构，黑磷纳米颗粒均匀分布在石墨烯骨架上，没有明显的团聚现象。EDX元素进一步证实了磷元素在碳网络中的均匀分布，而氧含量增加则暗示了激光诱导的表面氧化过程。

Fig2 形貌特征表征

化学键合：XPS和NEXAFS谱学分析显示，高分辨C 1s谱中284.1 eV处的特征峰对应C-P键，286.4 eV和288.7 eV则分别归属于C-O-P和P-C=O键。P 2p谱显示除了主体磷的134.4 eV外，133.4 eV处的峰明确证实了P-C键的存在。这些数据表明黑磷通过共价键与石墨烯网络紧密结合，而非简单的物理混合。

Fig3 XPS等表征

理论验证：DFT计算和REAX FF分子动力学模拟，从理论上验证了异质结构的稳定性。模拟显示，当黑磷与石墨烯通过锯齿形边缘形成共价连接时，电子局域函数(ELF)呈现明显的电子云重叠，证实了键合的共价特性。理论预测这种连接方式能够承受锂离子嵌入/脱出过程中的巨大应力，防止层间剥离，这正是传统黑磷材料失效的主要原因。

Fig4 DFT和分子动力学模拟

将BP-LIG异质结构组装为锂离子电池负极后，其性能表现优秀。在0.5 A/g电流密度下，电极表现出1122 mAh/g的高比容量；即使将电流密度提升至2 A/g，经过400次循环后仍能保持91%的容量，库仑效率始终接近100%。而且在700次循环后，电极依然保持稳定工作，没有明显的性能衰减。

性能提升的原因主要在于：1）高速导电通道，三维石墨烯网络为电子传输提供了快速通道，补偿了黑磷本征导电性不足的缺陷；2）体积变化缓冲，石墨烯的机械柔性和多孔结构有效吸收了黑磷在锂化/脱锂过程中的体积变化，防止电极结构崩塌；3）多磷化物禁锢，共价键合抑制了多磷化物的溶解和穿梭效应，避免了活性物质损失和电解质分解。