Page 157 - 精细化工2020年第2期

第 2 期 吴启超，等: 两步法合成交联碳/氮双掺杂 Fe 3 O 4 锂离子阳极材料
由图 2a 可以看出，Fe 3 O 4 /C/N 是由相互连接均
匀粒径的纳米球组成。图 2b 显示 Fe 3 O 4 纳米球的平
均直径约为 150 nm。图 2c 和 2d 进一步证明所有的
纳米球均与相邻的纳米球互连。从图 2d 的插图可以
看出，碳层 附着在 Fe 3 O 4 纳米球的 表面上。在
HR-TEM 图像（图 2e）中，通过测量 Fe 3 O 4 /C/N 纳
米球的晶格条纹宽度，得到条纹间距为 d (311) =
0.25 nm，对应 Fe 3 O 4 纳米球的（311）晶面间距。此
外，图 2f 为选区电子衍射（SADE）图，该图显示
Fe 3 O 4 /C/N 是多晶衍射环，与 XRD 结果一致。
综上所述，本文通过简单的两步法成功制备出
交联状 C/N 双掺杂的 Fe 3 O 4 锂离子阳极材料。
2.2 电化学分析
通过循环伏安法考察 Fe 3 O 4 /C/N 电极材料电荷
存储行为。图 3a 是 Fe 3 O 4 /C/N 的 CV 曲线；图 3b
是 Fe 3 O 4 /C/N 的恒电流充放电循环曲线；图 3c 是
Fe 3 O 4 /C/N 以及 Fe 3 O 4 在电流密度为 0.2 A/g 时的循
环性能及库仑效率；图 3d 是 Fe 3 O 4 /C/N 电极材料的
倍率性能；图 3e 为 Fe 3 O 4 /C/N 电极材料在不同电流
密度下的充放电平台曲线（GCD）。
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图 3 Fe 3 O 4 /C/N 的循环伏安曲线（a）、恒电流充放电循
环曲线（b）、Fe 3 O 4 /C/N 和 Fe 3 O 4 在 0.2 A/g 下的循
环曲线（c）、Fe 3 O 4 /C/N 的倍率性能图（d）和倍率
充放电循环曲线（e）
Fig. 3 CV curves at 0.1 mV/s (a), GCD curves at 0.2 A/g
for Fe 3 O 4 /C/N (b), cyclic performance of Fe 3 O 4 /C/N
and Fe 3 O 4 composite at 0.2 A/g (c), rate performance
at different current density (d) and representative
charge-discharge voltage profiles at various rates (e)
of Fe 3 O 4 /C/N
由图 3a 可知，在第一次放电过程中，0.54 V 处
出现一个明显的还原峰，对应于锂离子嵌入（Fe 3 O 4
+
−
+ xLi + xe → Li x Fe 3 O 4 ） [31-33] 引起的结构转变及
+
Li x Fe 3 O 4 通过 转 化 反应〔 Li x Fe 3 O 4 + (8−x)Li +
−
(8−x)e → 4Li 2 O + 3Fe〕进一步还原为 Fe(0) [34-36] 。
在随后的循环中由于 SEI 膜的生成以及不可逆 Fe
金属的生成，电池内阻下降，0.54 V 处的还原峰逐
渐转移到了 0.65 V（2 nd）和 0.75 V（3 rd），而阳
极的锂离子脱嵌主要发生在 1.8 V 处。值得注意的
是，第二和第三次循环的氧化还原峰几乎一致，表
明电极在第二和第三次循环中具有较好的氧化还原
可逆性，显示出较好的循环性能。
图 3b 显示，在第一次放电曲线中，有一个 0.67 V
的持续放电平台。从第二个周期开始，放电平台移
动到 0.85 V，充电平台略向高电位移动，这与 CV
结果基本一致。图 3b 中，第 2 次和第 10 次循环的
放电曲线基本重叠，这进一步证实 Fe 3 O 4 /C/N 电极
材料具有良好的电化学稳定性。图 3c 显示，当电流
密度为 0.2 A/g 时，循环 10 次后库仑效率增加到