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层状磷在储能中的应用综述
本文亮点
✎磷具有多种同素异形体及多种拓扑结构，其中具有层状结构的磷（黑磷、蓝磷）由于具有良好的导电性和热稳定性，且带隙可调等优点而备受关注。
✎本文从层状磷的结构、维度、及所处化学环境等角度综述了层状磷在储能领域中的应用，包括锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、锂硫电池、锂空气电池及超级电容器。
✎在储能领域的应用中，层状磷表现出独特优势：碱/碱土金属离子在层状磷中扩散能垒低；还原态的碱/碱土金属磷化物的电子导电率高；对可溶性多硫化物具有吸附再活化作用；高离子/电子电导率及高亲锂性，诱导金属锂的均匀沉积；催化氧还原反应，降低形成过氧化锂所需的反应活化能。
内容简介
█研究背景
磷在储能中的应用近年来受到广泛关注。磷的高比容量和离子迁移率都可能导致储能材料的突破。黑磷是磷的同素异形体，具有类似石墨的片状结构。
█研究现状
本文综述了黑磷的结构、性能及导电电极材料的特性，包括理论计算和分析。
通过介绍黑磷材料在不同电化学领域的应用，综述了锂硫电池、锂空气电池、超级电容器等各种离子电池的研究进展。
█发展趋势
其中，随着黑磷在锂离子电池和钠离子电池中的引入，介绍了黑磷与碳复合材料的性能研究。在此基础上，分析了黑磷材料在电化学领域的发展趋势和潜力。
不同磷同素异形体的结构示意图 [1]
(a) β-白磷; (b)γ-白磷; (c) 红磷; (d) 紫磷; (e)正交相黑磷; (f) 六方相黑磷; (g) 立方相黑磷; (h) 蓝磷
重点内容导读
01 锂/钠离子电池
1.1黑磷在锂/钠离子电池中的储能机理
1.2黑磷在锂/钠离子电池中的应用
1.3蓝磷在锂/钠离子电池中的应用
黑磷在锂/钠离子电池中的储能机理 [2]
0D 黑磷在锂/钠离子电池中的应用 [3]
2D 黑磷在锂/钠离子电池中的应用I [4]
2D 黑磷在锂/钠离子电池中的应用II [5]
蓝磷在锂/钠离子电池中的应用 [6]
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以上图片详细信息如下：
[2] //(a) 黑磷的ADF-STEM图；(b) 黑磷的储锂、储钠反应机理；(c) 黑磷在储钠过程的TEM图
[3] //(a) 黑磷@石墨的HRTEM图；(b) 黑磷@碳纳米管@炭黑结构示意图；(c) MWCNT@f-RP@BP的结构示意图
[4] //(a) 三明治结构的石墨烯@磷烯在储钠过程中的结构变化；(b) BP/rGO 的制备示意图；(c) BP-G/PANI的结构特征；(d) BPNs@TiO2@G的制备示意图
[5] //(a) BPQD/TNS的储锂机理及(b)对应的TEM图
[6] //(a) 蓝磷的结构示意图及能带图；(b) 在Au(111)上单层蓝磷的示意图；(c) Li在蓝磷中扩散路径及能垒图；(d) Na在蓝磷上的吸附位点图；钠在蓝磷@石墨烯内的扩散路径: (e)石墨烯侧，(f) 蓝磷侧，(g) 蓝磷与石墨烯夹层
02 钾离子电池
钾离子电池 [7]
//(a) 黑磷@石墨的SEM图及(b)对应的循环性能图；(c) a-P/C的合成与结构示意图及(d)对应的循环性能图03 镁离子电池
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镁在黑磷内的扩散路径及对应的扩散能垒 [8]
04 锂硫电池
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钾离子电池 [9]
//(a) 黑磷对硫正极改性的示意图及(b)对应的长循环性能；(c) 黑磷修饰锂硫电池隔膜的结构示意图及(d)黑磷捕获多硫化物的结构示意图；(e) 蓝磷与多硫化物结合的示意图及对应的吸附能
05 锂空气电池
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钾离子电池 [10]
//(a-d) 四类锂空气电池的结构；(e) 有机体系的锂空气电池的示意图；(f) 黑磷修饰锂空气电池的锂负极；(g) BPQD/MnO2 充放电性能图及Li2O2在其表面形成的机理；(h) 锂在蓝磷与氮掺杂蓝磷内的扩散路径及对应的能垒；(i) LixOy在蓝磷与氮掺杂蓝磷上的还原反应
06 超级电容器
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超级电容器 [11]
//(a)BP-CNTs/4-NBD 的合成示意图；(b) MST技术制备超细纤维；(c) 柔性超级电容器的制备及其在不同电子产品中的应用
天津大学教授，北京化工大学博士，斯坦福大学博士后。研究方向为开发用于能量转换和储存的多功能纳米材料，包括锂离子、钠离子、钾离子和镁离子电池、锂硫电池以及电催化。
河北科技大学教授，中国科学院大连化学物理研究所博士。研究兴趣主要集中在材料物理化学、多孔材料及其在能量转换与储存、吸附分离、二氧化碳捕获与转化、催化转化等领域的应用。
Transactions of Tianjin University
天津大学学报（英文版)
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