DOI:10.1016/j.jallcom.2020.156097
负极材料的合理结构设计对锂离子电池(LIB)的性能起着至关重要的作用。在本研究中,通过静电纺丝技术结合可控的热解制备了一种新型的一维碳基负极材料,该材料由均匀锚固在多孔氮掺杂碳纳米棒上的超细中空FexOy纳米粒子(NPs)组成(表示为FexOy@PN-CNR)。在Kirkendall型扩散作用下,Fe3C转化为中空FexOy纳米粒子。这种独特的结构可以有效地防止氧化铁纳米粒子的聚集、溶解和粉碎,从而保持电极的结构完整性。此外,它还提供了一个连接的分层导电网络,其中氮掺杂用于电子传输,并为快速Li+扩散提供丰富的可访问多孔通道。结果表明,所制备的FexOy@PN-CNR复合材料作为LIBs的负极在1000 mA g-1下的100次循环期间,可提供1198.6 mAh g-1的超高可逆比容量。值得注意的是,即使以5000 mA g-1的大速率运行,也能获得稳定的循环寿命(200次循环后为800 mA h g-1,库仑效率接近100%)。本研究为制备具有优异电化学性能的纳米结构负极材料提供了一种有前途的策略。
图1.多孔氮掺杂FexOy@PN-CNR的制备示意图,通过简单的静电纺丝和多步热处理原位生长空心氧化铁纳米粒子并形成介孔。(b)多孔FexOy@PN-CNR的XRD图谱;(c)Fe3C@CNF和FexOy@PN-CNR的拉曼光谱和(d)TGA曲线。
图2.(a)FexOy@PN-CNR的高分辨率XPS光谱:(a)全XPS光谱,(b)Fe 2p,(c)C 1s和(d)N 1s。
图3.(a),(b)Fe3C@CNF的SEM图像,(e),(f)TEM和HRTEM图像(图(e)的插图);(c),(d)FexOy@PN-CNR的SEM图像,(g),(h)TEM和HRTEM图像(图(g)的插图)。蓝色圆圈表示多孔结构特征和Fe3C/FexOy纳米颗粒。(i)-(m)FexOy@PN-CNR的TEM(HAADF C O N Fe)元素映射。
图4.所制备的LIB负极复合材料的电化学表征。(a)FexOy@PN-CNR前5个循环的CV曲线,扫描速率为0.5 mV s-1;(b)FexOy@PN-CNR在100 mA g-1下的恒流充电/放电曲线;(c)FexOy@PN-CNR,FexOy@CNF,N-CNF和Fe2O3电极在100-5000 mA g-1的各种电流密度下连续循环时的速率性能;(d)FexOy@PN-CNRs电极在0.1-5000 mA g-1的各种电流密度下的恒电流充电/放电曲线;(e)FexOy@PN-CNR,FexOy@CNF,N-CNF和Fe2O3在1000 mA g-1下的高循环性能。
图5.(a)FexOy@PN-CNR电极在2000和5000 mA g-1高电流密度下的长循环性能;(b)FexOy@PN-CNR,FexOy@CNF,N-CNF和Fe2O3电极的奈奎斯特曲线,(c)Zre与ω-1/2图;插图显示了它们相应的等效电路;(d)FexOy@PN-CNR电极在5000 mA g-1下的第100、第200次循环前后的奈奎斯特曲线。
图6.(a)FexOy@PN-CNR在0.1到2 mV s-1的各种扫描速率下的CV曲线;(b)根据对数峰值电流和对数扫描速率之间的关系计算b值;(c)在1 mV s-1下FexOy@PN-CNR电极中容性电流和扩散电流的分离;(d)不同扫描速率下电容过程的贡献。
图7.(a)锂离子嵌入过程中FexOy@PN-CNR的拟议模型;(b)FexOy@PN-CNR复合材料中吡咯N、石墨N和吡啶N的示意图。(c)本工作中的材料与先前文献中基于氧化铁的材料的倍率性能比较。