Page 129 - 《精细化工》2020年第8期

第 8 期 姚金环，等: 烧结温度对 Fe(OH) 3 胶体制备 Fe 2 O 3 材料储锂性能的影响 ·1627·

由图 7 可见，随着扫描速度的增大，氧化峰向 式中：I p 为峰值电流，A；n 代表反应过程中电荷转
2
高电位偏移，还原峰向低电位偏移。其中 500 ℃样 移数（此处，n=1）；A 代表电极的表面积，cm ；
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品电极在扫描速度为 2.5 mV/s 时，较其他样品而言， D Li+ 代表所求 Li 的扩散系数，cm /s；C 代表电极中
仍能观察到较强的氧化峰和还原峰，表明该样品电 Li 的浓度，mol/cm ；v 代表扫描速度，V/s [22] 。
3
+
极具有更好的电化学活性。图 7 e~f 是 4 种样品电极 由表 1 可知，500 ℃下烧结得到的 Fe 2 O 3 电极
峰值电流 I p 与扫描速度的平方根 v 1/2 的线性拟合图。 的还原峰扩散系数和氧化峰扩散系数都高于其他 3
拟合结果表明，峰值电流 I p 与扫描速度的平方根 v 1/2 个样品对应的扩散系数值，在其他条件相同的条件
之间呈线性关系，因此，Fe 2 O 3 电极材料在嵌/脱锂 下，该样品电极的 Li 扩散性能最好，这一结果与上
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+
反应中 Li 扩散是控制步骤。利用已经拟合出的 I p 述充放电性能测试结果一致。
与 ν 1/2 的线性关系式，结合下述的动力学反应方程 2.4 Fe 2 O 3 电极材料的结构稳定性分析
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式（1）可以计算出 Li 在 Fe 2 O 3 电极材料中的扩散 为了解 4 种样品电极在循环前后微观形貌变
系数（D Li+ ） [21] ，结果列于表 1。 化，对 4 种样品电极在循环前和在 1.0 A/g 的电流密

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表 1 4 种烧结温度下样品电极的 Li 扩散系数值 度下循环 450 圈之后电极片进行背散射 SEM 测试，
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Table 1 Li diffusion coefficients of samples sintered at 结果见图 8（图中亮白色块状对应的是氧化铁颗粒，
different temperatures
暗灰色区域对应的 Super P 炭黑颗粒）。由图可以看
烧结温度/℃
出，循环前 4 种样品电极表面相对平整，无明显裂
400 500 600 700
还原峰扩散系数 1.98×10 –14 1.57×10 –13 4.87×10 –14 1.26×10 –13 缝，电极材料与导电剂 Super P 混合良好。循环 450
2
/(cm /s) 圈后，4 种样品电极的颗粒表面都出现了不同程度
氧化峰扩散系数 9.31×10 –14 4.60×10 –13 1.46×10 –13 3.22×10 –13 的裂痕和粉化现象，说明样品在嵌/脱锂的过程中产
2
/(cm /s)
生了不同程度的体积效应。4 种样品中，600 ℃样
 p (2.69 10 )n 5 3/2   D 1/2 + Cv 1/2 （1） 品粉化情况相对严重，500 ℃样品粉化情况较轻微。
Li

图 8 4 种烧结温度下样品电极在循环前（a, c, e, g）和经过 450 次循环后（b, d, f, h）的背散射 SEM 图
Fig. 8 Back-scatting SEM images of four samples sintered at different temperatures before cycling (a, c, e, g) and after
cycling 450 cycles (b, d, f, h)

3 结论 片状结构，且组成二维片的颗粒大小相对均匀，颗
粒与颗粒之间存在一定的空隙，非常有利于电解液
采用蔗糖辅助 Fe(OH) 3 胶体一步焙烧法制备 的渗透和 Li 的嵌入和脱出。由于其特殊的形貌，该
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Fe 2 O 3 电极材料过程中，焙烧温度对材料的微观结构 样品电极表现出较优的电化学性能；例如：在 1.0 A/g
和储锂性能有重要影响。当烧结温度为 400 ℃时，生 电流密度下循环 450 圈，其放电比容量仍保持在
成的产物中除含有 Fe 2 O 3 相外，还含有少量的 Fe 3 O 4 628.6 mA·h/g。电化学反应动力学研究发现：500 ℃
相。当烧结温度为 500、600 和 700 ℃时，可以得 焙烧样品电极具有相对较高的 Li 扩散系数，同时在
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到单一的 Fe 2 O 3 相，但过高的温度会使材料的片状 嵌脱锂过程中具有较好的结构稳定性。该研究可对
结构逐渐坍塌，从而影响材料的储锂性能。当焙烧 纳米氧化铁负极材料的简便、高效、大规模制备提
温度为 500 ℃，通过该方法得到的样品具有二维 供新思路，对其他 TOMs 纳米功能材料的设计制备