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隨著科技的發展，各個領域對電池性能的要求也越來越高，而影響電池性能的主要因素取決于電極材料。近年來，開發具有低成本，高能量密度和長循環壽命的鈉離子電池新型負極材料成為研究重點。過渡金屬磷化物（TMPs）具有較高的理論儲鈉容量，但由于其電導率低和嵌鈉/脫鈉后的體積膨脹，引起材料的倍率性能較差。將TMPs與碳材料復合或縮小其特征尺寸被認為是解決上述問題的有效方法。然而，表面控制的電容行為在電池容量貢獻中普遍占主導地位，這不可避免地損失了充放電平臺，降低了全電池結構的工作電位窗口，然而這一問題很少引起人們關注。
近日，趙玉峰教授團隊利用金屬有機框架（Metal-Organic Frameworks，MOF）材料中金屬離子（原子）與有機配體之間自組裝形成的多孔結構，通過一步碳化/磷化的方法，將FeP量子點限制在P摻雜的三維八面體碳骨架/碳納米管中（FeP@OCF）。這種自限域生長的方法不僅降低了FeP納米顆粒的尺寸，縮短了離子的傳輸路徑，提高了材料的倍率性能；而且有效的緩解了FeP顆粒在生長過程中的團聚效應，避免了在充放電過程中因較大的體積膨脹引起的電極材料粉化問題，從而增強了材料的穩定性。同時，在合成MOF的過程中，氮摻雜碳納米管的引入構筑了三維導電網絡結構，提高了復合材料的導電性，加快了電子/離子傳輸，提升了整個材料的循環和倍率性能。因此，將其作為鈉離子電池負極材料，在0.1 A g-1的電流密度下可實現647 mAh g-1的可逆容量，即使在20 A g-1的大電流密度下容量仍高達224 mAh g-1，表現出超高的倍率性能。與純的FeP相比，FeP@OCF材料無論是在平臺區容量還是斜坡區容量均有明顯提高。另外，通過原位透射電鏡，我們實時觀察到FeP@OCF在充電過程中的并沒有明顯的體積膨脹現象，通過分析原位選區衍射電子圖像數據，進一步證實了FeP@OCF對鈉離子的嵌入/轉換反應機制。基于FeP@OCF優異的半電池性能，我們將Na3V2(PO4)3作為正極材料， FeP@OCF為負極材料組裝鈉離子全電池，在227 W Kg-1的功率密度下可實現184 Wh Kg-1的能量密度，表現出FeP@OCF潛在的應用價值。
該工作所設計的由MOF限域作用將FeP量子點限制在P摻雜的三維八面體碳骨架/碳納米管材料，在鈉離子半電池中表現出優異的倍率性能，并在全電池測試中實現較高的能量密度，這一工作為磷化物的全電池設計及實際應用提供了新的設計途徑。相關論文以FeP quantum Dots Confined in Carbon Nanotube-Grafted P-doped Carbon Octahedra for High Rate Sodium Storage and Full-Cell Applications為題目在線發表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201909283)上，第一作者為燕山大學環境與化學工程學院博士生史姍姍。