[论文解读] Shear-Exfoliated Phosphorene for Rechargeable Nanoscale Battery

Feng Xu, Binghui Ge+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

2D Materials and Applications参考文献 52被引用 5

一句话总结

本研究证明，少层剪切剥离的黑磷烯可通过抑制脱锂/嵌锂循环过程中的结构分解，在纳米尺度电池中实现稳定、可逆的锂离子存储。通过原位透射电镜（TEM），作者发现厚多层黑磷烯因电导率丧失而发生不可逆退化，而超薄黑磷烯则表现出优异的结构可恢复性与稳定的电化学性能，为通过简单剪切剥离实现可扩展、高性能负极铺平了道路。

ABSTRACT

Discovery of atomically thin black phosphorus (called phosphorene) holds promise to be used as an alternative two-dimensional material to graphene and transition metal dichalcogenides especially as an anode material for lithium-ion batteries (LIBs). However, at present bulk black phosphorus (BP) still suffers from rapid capacity fading that results in poor rechargeable performance. Here, for the first time, we use in situ transmission electron microscopy (TEM) to construct nanoscale phosphorene LIBs and visualize the capacity fading mechanism in thick multilayer phosphorene by real time capturing delithiation-induced structural decomposition that reduces electrical conductivity and thus causes irreversibility of lithiated Li3P phase. We further demonstrate that few-layer phosphorene successfully circumvents the structural decomposition and holds superior structural restorability, even subjected to multi-cycle lithiation/delithiation processes and concomitant huge volume expansion. This finding affords new experimental insights into thickness-dependent lithium diffusion kinetics in phosphorene. Additionally, a scalable liquid-phase shear exfoliation route has been developed to produce high-quality ultrathin (monolayer or few-layer) phosphorene, only by a high-speed shear mixer or even a household kitchen blender with the shear rate threshold, which will pave the way for potential large-scale applications in LIBs once the rechargeable phosphorene nanoscale batteries can be transferred to industrialized enlargement in the future.

研究动机与目标

• 解决块体黑磷负极在锂离子电池中快速容量衰减的问题。
• 研究厚多层黑磷烯在嵌锂/脱锂过程中的结构与电学退化机理。
• 证明少层黑磷烯作为稳定、高性能负极材料的可行性。
• 开发一种可扩展、低成本的液相剪切剥离方法，用于制备高质量超薄黑磷烯。
• 建立黑磷烯厚度与其电化学可逆性及锂扩散动力学之间的直接关联。

提出的方法

• 采用原位透射电镜（TEM）实时观察厚多层黑磷烯在脱锂过程中的结构演变。
• 构建纳米尺度电池结构，实现在纳米尺度下对电化学过程的原位TEM观测。
• 采用液相剪切剥离法，利用高速混合器甚至家用搅拌机制备少层黑磷烯。
• 确定有效剥离的剪切速率阈值，以实现可扩展生产。
• 通过多周期嵌锂/脱锂测试，评估厚层与少层黑磷烯的电化学性能。
• 将结构可恢复性与电导率变化关联至电化学可逆性。

实验结果

研究问题

• RQ1 厚多层黑磷在嵌锂/脱锂循环中导致不可逆容量衰减的原因是什么？
• RQ2 黑磷烯厚度在反复嵌锂过程中如何影响其结构稳定性和电导率？
• RQ3 少层黑磷烯在电化学循环中经历大体积膨胀时，能否保持结构完整性和可逆性？
• RQ4 原位TEM在揭示黑磷烯负极实时退化机理中发挥什么作用？
• RQ5 可扩展剪切剥离在多大程度上可生产出适用于高性能电池的高质量超薄黑磷烯？

主要发现

• 厚多层黑磷烯在脱锂过程中发生不可逆结构分解，导致电导率显著下降及容量衰减。
• 少层黑磷烯在多次嵌锂/脱锂循环后表现出优异的结构可恢复性，维持高电化学可逆性。
• 原位TEM观测表明，厚黑磷烯的结构分解是Li3P相形成不可逆性的主要原因。
• 开发了一种可扩展的液相剪切剥离方法，可利用高速混合器甚至家用搅拌机制备高质量少层黑磷烯。
• 确定了有效剥离的剪切速率阈值，实现了低成本、大规模生产超薄黑磷烯。
• 由于厚度依赖的电子与结构特性，少层黑磷烯表现出有利的锂扩散动力学。