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[交流]
【電池材料】一種穩(wěn)定且高容量的鋰離子電池負極：由少量石墨烯包覆的Fe2O3
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本周文獻精讀 Wang, Yukun, Yang,等. A stable and high-capacity anode for lithium-ion battery: Fe2O3 wrapped by few layered graphene. 一段話了解全文 使用等離子球磨技術(shù)一步合成少層石墨烯納米片包覆Fe2O3的復合材料(Fe2O3-FLG)，該方法可有效降低Fe2O3的粒徑并將石墨剝離成FLG。由于FLG納米片的緊密包裹，該復合材料具有出良好的電化學性能，且有利于電極的導電性和完整性。20h處理后的樣品300次循環(huán)后其容量為理論的88%。通過P-milling方法制備的Fe2O3-FLG復合材料有望作為高性能鋰離子電池的負極材料。 Fe2O3-FLG復合材料的合成 P-milling中心電極與磨機之間施加22kV的電壓，工作時充有0.1MPa的氬氣。將10克Fe2O3(平均粒徑1μm)粉末和石墨(平均粒徑30μm)按8:2的重量比混合。為了研究球磨后石墨層的結(jié)構(gòu)，在濃鹽酸中腐蝕P-milling樣品12小，然后在60℃下洗滌并干燥24小時，制備了去除Fe2O3的P-milling復合材料樣品用于觀察石墨層厚度。 結(jié)果與討論 通過一步P-milling工藝合成由少數(shù)層狀石墨烯納米片包覆的Fe2O3顆粒。在研磨過程中，氬原子在22kV的電場中被電離。氬等離子體被加速并粉碎石墨，將動能以熱量的形式傳遞給石墨，從而削弱了石墨烯層之間的范德華鍵。前10小時FLG納米片被剪切力剝離。延長至20小時時，F(xiàn)LG的量不再增加，在研磨球的擠壓下，F(xiàn)LG納米片牢固地包覆Fe2O3納米顆粒。 通過SEM研究P-milling過程中的結(jié)構(gòu)演變。P5中厚大片狀物為石墨層，顆粒為Fe2O3。當研磨時間延長至20小時時，可以明顯觀察到石墨層變得薄而透明，緊緊包裹在Fe2O3顆粒周圍。進行TEM觀察FLG納米片厚5-8nm，相當于15-25層石墨烯(圖1e的插圖)。通過在濃鹽酸中去除Fe2O3顆粒來制備裸FLG納米片，空心殼意味著在去除之前Fe2O3顆粒被包裹在里面 D波段和G波段的相對強度比(ID/IG)在原始石墨中為0.47，而對于P20則增加到2.28。ID/IG的增加表明在P-milling過程中完美石墨的結(jié)構(gòu)崩潰和向FLG的轉(zhuǎn)變，這與SEM和TEM結(jié)果非常一致。 XRD顯示P-milling樣品中Fe2O3的(104)和(110)峰展寬，P5、P10和P20中Fe2O3的平均晶體尺寸分別為51、35和28nm，F(xiàn)e2O3的顯著細化。原始石墨樣品的強(002)衍射峰在P5處減弱，在P10和P20處變得不明顯，表明石墨層減少。 FLG納米片的熱穩(wěn)定性受石墨烯層數(shù)的顯著影響。在TG曲線碳的氧化溫度隨著P-milling時間的增加而降低，這表明FLG納米片的層數(shù)隨著研磨時間的增加而減少。P20(504℃)的氧化溫度與P10(522℃)的非常接近，表明FLG納米片的層數(shù)在前10小時研磨中急劇減少，然后逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。 隨著P-milling時間的延長，可以實現(xiàn)FLG更緊密有效地包覆Fe2O3。該結(jié)構(gòu)有利于所得Fe2O3-FLG納米復合材料的電化學性能。P20的CV循環(huán)中，第2次和第5次循環(huán)中重疊的CV曲線表明Fe3+和Fe0之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)具有良好的可逆性。P20的初始放電容量為916mAh·g-1，庫侖效率為79%，其可逆容量(729 mAh·g-1)等于P20理論容量(880.0 mAh·g-1，考慮Fe2O3和石墨的重量比)的82.8%。原始Fe2O3的可逆容量在50次循環(huán)中迅速衰減至僅200mAh·g-1。隨著石墨的引入，P10和P20的可逆容量在50次循環(huán)后增加到約700 mAh·g-1。然而，200次循環(huán)后，P10僅保留370 mAh·g-1，而P20在300次循環(huán)后達到758 mAh·g-1。P20改善的循環(huán)性能更優(yōu)。同時圖3c中，P20也表現(xiàn)出良好的倍率性能。 上述結(jié)果表明，通過20hP-milling制備的Fe2O3-FLG具有優(yōu)異的電化學性能。儲能性能的提高可歸因于以下幾個方面：(1)Fe2O3微晶尺寸的減小引入了更多的晶界、更短的路徑和更大的活性表面積，這對鋰離子的擴散和動力學非常有利氧化還原反應(yīng)。(2)FLG納米片具有導電性，為電子傳輸提供了路徑，涂層有利于鋰的儲存。(3)對于P-milling電極，EIS中的半圓直徑較小(圖3d)表明P5的接觸和電荷轉(zhuǎn)移電阻低于裸Fe2O3電極。(4)包裹在Fe2O3納米顆粒周圍的FLG納米片作為基質(zhì)，抑制充放電過程中的體積變化。相反，不均勻的涂層如P10(圖4c)導致部分聚集和粉化，最終導致電極材料的劇烈剝離。 結(jié)論 具有高容量和穩(wěn)定性的FLG納米片包裹的Fe2O3已通過簡便且大規(guī)模的一步P-milling方法成功合成。P-milling可有效減小Fe2O3的粒徑，將石墨剝離成FLG，并形成Fe2O3-FLG與FLG包裹Fe2O3的復合材料。由于FLG納米片的緊密包裹，P20在P-milling樣品中表現(xiàn)出最好的電化學性能，這有利于電極優(yōu)良的導電性和完整性。300次循環(huán)后，P20在200Ma·g-1下仍保持758mAh·g-1的可逆容量，相當于其理論容量的88%。憑借優(yōu)異的電化學性能，通過P-milling制備的Fe2O3-FLG復合材料有望作為高性能鋰離子電池的負極材料。 |
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