Page 158 - 精细化工2020年第2期

·360· 精细化工 FINE CHEMICALS
97.4%。在 210 次循环后，Fe 3 O 4 /C/N 电极材料仍保
持 516 mA·h/g 的放电容量，并且与第 10 次循环相
比容量保持率达到 69.5%。
图 3c 显示，Fe 3 O 4 /C/N 电极材料的初始放电容
量为 1083 mA·h/g，充电容量为 801 mA·h/g，初始
库仑效率为 73.9%。容量损失主要原因有两个：（1）
在首次充电过程中不能完全消耗首次放电过程中生
成的 SEI 膜；（2）纳米过渡金属 Fe 和 Li 2 O 不能完
全转换成 Fe x O y 。
图 3d 显示，在电流密度为 0.2、1.0 和 2.0 A/g
时，Fe 3 O 4 /C/N 电极材料的稳定放电容量分别约为
679、379 和 283 mA·h/g。此外，当电流密度再一次
回到 0.2 A/g 时，放电容量恢复到约 593 mA·h/g。
图 3e 显示，随着电流密度的增加，放电电压降
低，并且由于极化效应的增强，充电电压增加。然
而，即使在 2.0 A/g 的高电流密度下，仍表现出明显
的持续充放电平台，表明其具有出色的倍率性能。
上述结果表明，Fe 3 O 4 纳米球具有优异的倍率性
能、高可逆性和循环稳定性。
交联状 Fe 3 O 4 /C/N 电极材料的 EIS 图见图 4。
图 4 Fe 3 O 4 /C/N 的 EIS 图
Fig. 4 EIS of Fe 3 O 4 /C/N at different cycles
由图 4 可知，EIS 图由高/中频区的半圆 [37-38] 和
低频区的直线 [39-40] 组成。高/中频区的半圆主要包括
电极材料表面 SEI 膜的迁移电阻、颗粒之间的接触
电阻，低频区的直线为离子的扩散电阻。此外，图
4 中的插图是通过 Z-VIEW 软件拟合后得出的等效
电路图，可以此计算 Fe 3 O 4 纳米球的动力学参数。
R e 、R f 、R ct 、Z w 、CPE1 和 CPE2 等组件分别代表电
解质电阻、SEI 膜电阻、电荷转移电阻、Warburg 阻
抗、SEI 膜电容和双层电容。第一次循环后 R ct 为
16.83 Ω。在循环 5 次后 R ct 略微上升，表明相比于
前几次循环，循环 5 次后电荷转移阻抗略微上升，
可能是由于生成了不可逆的 Li 2 CO 3 、锂氧化合物等
物质增大了电极的内阻 [41-42] 。R ct 在第 210 次循环时
增加到 25.33 Ω。随着循环次数的增加，R ct 出现明
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显波动，这可归因于复合电极的电化学活化过程。
3 结论
本文通过两步法合成了 C/N 双掺杂的交联状
Fe 3 O 4 纳米复合材料，对其形貌和结构进行了一系列
表征，并作为 LIBs 阳极材料进行了性能测试。结果
表明，交联状 Fe 3 O 4 /C/N 复合材料由于独特的结构
特性，用作 LIBs 的阳极材料时具有优异的锂储存性
能。在电流密度为 0.2 A/g 时，循环 210 次后仍具有
516 mA·h/g 的比容量，容量保持率达到 64.6%，相
当于每个循环周期的容量衰减率为 0.17%。因此，
交联状 Fe 3 O 4 /C/N 阳极材料在高性能 LIBs 中具有广
阔的应用前景。
制备高性能的 LIBs 阳极材料有两个主要途径：
提高材料的容量和稳定性。下一步的研究重点是将
现有的阳极材料与石墨烯复合以及掺入高理论容量
的非金属材料。同时采用原位 XRD 以及原位红外等
测试研究其中的充放电转换机制。最终为制备高性
能的 LIBs 提供技术和理论储备。
参考文献：
[1] Tarascon J M, Armand M. Issues and challenges facing rechargeable
lithium batteries[J]. Nature, 2001, 414(6861): 359-367.
[2] Scrosati B, Garche J. Lithium batteries: Status, prospects and
future[J]. Journal of Power Sources, 2010, 195(9): 2419-2430.
[3] Lv C, Yang X, Umar A, et al. Architecture-controlled synthesis of
M xO y (M = Ni, Fe, Cu) microfibres from seaweed biomass for
high-performance lithium ion battery anodes[J]. Journal of Materials
Chemistry A, 2015, 3(45): 22708-22715.
[4] Wei W, Yang S, Zhou H, et al. 3D graphene foams cross-linked with
pre-encapsulated Fe 3O 4 nanospheres for enhanced lithium storage[J].
Advanced Materials, 2013, 25(21): 2909-2914.
[5] Bai L, Fang F, Zhao Y, et al. A sandwich structure of mesoporous
anatase TiO 2 sheets and reduced graphene oxide and its application
as lithium-ion battery electrodes[J]. RSC Advances, 2014, 4(81):
43039-43046.
[6] Lee S H, Yu S H, Lee J E, et al. Self-assembled Fe 3O 4 nanoparticle
clusters as high-performance anodes for lithium ion batteries via
geometric confinement[J]. Nano Letters, 2013, 13(9): 4249-4256.
[7] Wang S, Zhang J, Chen C. Fe 3O 4 submicron spheroids as anode
materials for lithium-ion batteries with stable and high
electrochemical performance[J]. Journal of Power Sources, 2010,
195(16): 5379-5381.
[8] Chen Y, Xia H, Lu L, et al. Synthesis of porous hollow Fe 3O 4 beads
and their applications in lithium ion batteries[J]. Journal of Materials
Chemistry, 2012, 22(11): 5006-5012.
[9] Chen Y X, He L H, Shang P J, et al. Micro-sized and nano-sized
Fe 3O 4 particles as anode materials for lithium-ion batteries[J]. Journal
of Materials Science &Technology, 2011, 27(1): 41-45.
[10] Wu Y, Wei Y, Wang J, et al. Conformal Fe 3O 4 sheath on aligned
carbon nanotube scaffolds as high-performance anodes for lithium
ion batteries[J]. Nano Letters, 2013, 13(2): 818-823.