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长寿命高体积容量锂离子电池负极:碳微米立方体包覆多孔Fe2N复合电极

长寿命高体积容量锂离子电池负极:碳微米立方体包覆多孔Fe2N复合电极

研发具有高体积容量和较长循环寿命的新型电极材料是下一代锂离子电池发展的核心问题。Fe2N因较高的理论比容量(900 mAh/g),良好的锂离子扩散速率以及赝电容行为等优点而备受关注。但是,Fe2N在充放电过程中体积膨胀大,会导致电极粉碎和SEI膜的形成,进而导致容量衰减。此外,Fe2N很容易在空气中氧化,在表面上形成阻碍锂离子传输的氧化物层,从而为制造过程带来额外的挑战。上述的问题严重阻碍了Fe2N在电池中的应用。

长寿命高体积容量锂离子电池负极:碳微米立方体包覆多孔Fe2N复合电极

图1 (a)Fe2N@C微米立方体的合成过程示意图;(b)Fe2N@C可以抵抗空气中的氧化和保持高的相纯度。(c)Fe2O3晶体转化为Fe2N晶体的结构变化图。

近期,美国威斯康星大学Song Jin教授课题组等人简便的阴离子转化技术将多孔的Fe2N立方体限域在N掺杂的碳微米立方体中,得到Fe2N@C复合材料,作为锂离子电池负极,表现出优越的电化学性能。此成果发表在国际期刊Nano Letter上。

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图2 (a)在100mA/g下,Fe2N@C和Fe2N电极的循环性能图;(b)Fe2N@C和Fe2N电极的充放电曲线图;(c)在10 A/g下,Fe2N@C的循环性能图;(d)Fe2N@C和Fe2N电极在嵌锂/脱锂过程中行为差异示意图。

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图3 (a)Fe2N@C电极(b)Fe2N电极的CV图;(c)Fe2N@C和Fe2N电极的倍率性能图;(d)Fe2N@C和Fe2N电极的b值对电位曲线;(e)Fe2N@C电极的电容贡献率图;(f)Fe2N电极的电容贡献率图。

作为锂离子电池负极,Fe2N@C电极表现出优越的储锂性能。在电流密度100mA/g下,循环50圈后,Fe2N@C电极体积比容量为1030mAh/cm^3;在大电流密度10.0A/g下,循环2000次,体积比容量仍高达555mAh/cm3,库伦效率为98%,体现了优良的循环稳定性。在0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,5.0和10.0 A/g电流密度下,Fe2N@C电极的比容量分别为567,536,526,500,474,450,404和356 mAh/g;当电流密度返至0.1A/g时,放电比容量为573 mAh/g,容量几乎无衰减,体现了良好的倍率性能。另外,通过电化学动力学分析,作者发现Fe2N@C电极83%的比容量来自于赝电容行为。随后,作者还解释了Fe2N@C电极具有如此优越电化学性能的原因:(1)碳微米立方体不仅能够保护Fe2N免受空气氧化,而且保持薄而稳定的SEI膜;(2)Fe2N立方体中的内部空隙有助于缓解脱锂/嵌锂过程中体积膨胀,防止碳微米立方体被破坏。此成果为设计具有保护层的纳米结构电极提供了新的借鉴。


参考文献:

Yifan Dong, Bingliang Wang, Kangning Zhao, YanhaoYu, Xudong Wang, Liqiang Mai and Song Jin. Air-Stable Porous Fe2N Encapsulatedin Carbon Microboxes with High Volumetric Lithium Storage Capacity and a LongCycle Life, Nano Lett., DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02698.

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