金属磷化物的化学性质介于金属氮化物与金属锑化物之间，其因具有多电子轨道而展现出优异的电化学性能。相比常见的商业化负极材料，金属磷化物理论比容量高达2596 mAh·g^-1（Li₃P、Na₃P、K₃P），电压平台较低（Li/Li⁺，0.8 V和Na/Na⁺，0.4 V），被认为是一种极具发展潜力的离子电池负极材料。然而，金属磷化物固有的合金化反应机制，导致电极材料在充放电过程中循环稳定性较差，从而很大程度上限制了磷化物负极材料应用。针对磷化物纳米负极材料体膨胀严重，电子电导率低等瓶颈问题，本课题组利用热弧等离子体物理制备方法，结合磷化反应控制改性完成复杂结构多种磷化物纳米电极设计制造，为磷化物纳米活性材料高效储能及长效服役提供解决方案。如核壳型FeP₂@C纳米负极材料在0.3 A g^-1的电流密度下循环500次后容量仍维持在1132 mAh g^-1（图1）。这是因为碎化后的FeP₂形成更小的晶粒，并保持明显的晶界，可以增加活性界面，缩短Li⁺扩散路径。此外，观察到FeP₂一种特殊的渐进式锂化方法，即锂离子逐渐插入FeP₂的晶格中以形成Li_nFeP₂，然后转化为Li₃P和Fe。通过循环伏安法和第一原理计算在本研究中验证了该过程，上述相关成果发表在Mater. Today Energy, 2020, 18, 100545，Applied Surface Science，2021, 550, 149247等国内外知名期刊上。

图1. FeP₂@C纳米负极材料的电化学性能^[1] 

产业化成果：

经过多年探索，本课题组在磷化物纳米负极材料研究上已取得突破性进展，团队研发的新型纳米负极材料在1 C的电流密度下，容量可维持在800 mAh g^-1以上，循环性能可维持500圈以上。如表1所示，相比较于其他常用商业负极，本课题组研发的磷化物纳米负极材料在容量等方面具有较大优势。此外，负极材料的成本问题也严重制约着负极材料的应用。现研发的磷化物纳米负极材料价格适中，可实现量产，产量可达100-200 g h^-1，平均尺寸（BET法）≤100 nm数量级，量产设备连续运行时间≥8 h，产品纯度可达99.9%。目前已经与长城汽车（蜂巢能源科技有限公司）针对此款负极材料进行了联合中试，并达成了初步战略合作协议。此款负极有望应用于新能源电动汽车上。

表1. 商用负极材料与新型磷化物纳米负极材料性能对比表

代表性论文与专利：

[1].    Liu J, Wu A, Tian R, et al. Progressive lithiation of FeP₂ nanoparticles constrained inside the carbon shell[J]. Materials Today Energy, 2020, 18: 100545.

[2].    Liu J, Sun W, Ran Y, et al. Progressive lithiation mechanism of Sn₄P₃ nanosheets as anodes for Li-ion batteries[J]. Applied Surface Science, 2021, 550: 149247.

[3].    Liu J, Yao M, Wu A, et al. Inverse capacity growth and progressive lithiation of SnP-semifilled carbon nanotubes anodes[J]. Applied Surface Science, 2021, 568: 150844.

[4].    黄昊;张琳锋;张贵锋;吴爱民;于文华.三步法制备碳包覆二磷化锌复合材料的制备方法及应用,;ZL202110746225.1 [P]. 2022.04.12.(已授权)