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Nano Energy|高性能核壳结构Fe3N@C复合物

作为锂离子电池负极材料,过渡金属氮化物因为具有优越的电化学性能,良好的化学稳定性,制备方法的标准性以及基础研究的重要性等特点而引起了大家的广泛关注。过渡元素(IIIB-VIII族)的特定电子构型在于价电子能占领一部分d轨道,当氮化物参与氧化还原反应时,产生的多价态可以有效地存储能量。但是在充放电循环过程中,活性物质易发生严重体积膨胀而造成电极破裂,从而导致容量衰减。

有鉴于此,大连理工大学材料科学与工程学院黄昊教授等人结合直流电弧放电法和化学氮化反应,制备出独特核壳结构的Fe3N@C复合物。用作锂离子电池负极时,Fe3N@C表现出了高比容量以及良好的循环稳定性,该研究成果发表在国际能源领域顶级期刊《Nano Energy》(影响因子:11.553)上。

Nano Energy|高性能核壳结构Fe3N@C复合物
图1.不同氮化温度下Fe3N@C的TEM图:(a)200℃, (b)300℃, (c)400℃, (d)500℃.

Nano Energy|高性能核壳结构Fe3N@C复合物
图2.Fe@C(a)Fe3N@C(b)的电压-容量曲线(c)Fe3N@C和 Fe@C 的循环性能曲线;(d)氮化温度为200°C,300°C,400°C和 500°C,Fe3N@C的循环性能图; (e)Fe3N@C的倍率性能。a-d性能测试时,电压范围0.01-2.00 V,电流密度100 mA/g。

作者研究了不同氮化温度对材料结构以及性能的影响,当温度为400℃时,材料的电化学性能最好。Fe3N@C复合物作为锂离子电池负极时,表现出了优越的循环稳定性。100 mA/g条件下循环500圈后,容量仍保持在370mAh/g,几乎无衰减。同时倍率性能也良好,当电流密度从1.0A/g返回0.1A/g时,比容量高达仍354mAh/g。

随后,作者也解释了Fe3N@C容量高和性能稳定的原因。碳壳不仅能够缓解充放电过程中的由于Fe3N体积膨胀而导致电极破裂失效问题同时其优良的导电性还可为界面电荷快速转移提供有效路径,从而实现Fe3N@C复合物在锂离子电池中表现出循环稳定性和良好的倍率性能。此外,碳壳具有很多缺陷,利于电解液通过缺陷进入内部,与Fe3N发生电化学反应,缩短锂离子的迁移路径。重要的是,此研究成果为研发新型核壳结构负极材料提供了非常良好的借鉴。

制备方法:

第一步:通过直流电弧放电装置制备出核壳结构Fe@C复合物。在制备过程中,Fe作为阳极,坞条作为阴极。工作气体是甲烷和氩气的混合物(两者体积比为1:2),工作电流和电压分别为90A和30V。

第二步:取0.25gFe@C复合物放置氧化铝坩埚,在管式炉中煅烧。先100℃下煅烧30min,接着通入氨气,200℃下煅烧1h,可得到Fe3N@C复合物。其它材料分别在300 °C (1 h), 400 °C (1 h) for and 500 °C (1 h 和2 h)煅烧即可得到。

Hao Huang, Song Gao, Ai-Min Wu, Kai Cheng, Xiao-Na Li, Xiao-Xia Gao, Ji-Jun Zhao, Xing-Long Dong, Guo-Zhong Cao. Fe3N constrained inside C nanocages as an anode for Li-ion batteries through post-synthesis nitridation, Nano Energy 31 (2017) 74–83.

黄昊教授简介:

大连理工大学材料科学与工程学院副院长。2001年、2005年在韩国昌原国立大学机械设计工学科分别获得工学硕士学位和工学博士学位。2015年创建能源材料与器件实验室,主要高能电极材料采用直流电弧放电、微波等离子体气相沉积、磁控溅射以及强流脉冲电子束等方法,合成多类型纳米材料(包括纳米颗粒、纳米薄膜和纳米复合物),用做长寿命、高能密度锂离子电池、超级电容器以及燃料电池的电极活性物质。

详细的研究方向包括:

  • 核壳型纳米粒子电磁兼容:传统微波吸收材料吸收频段窄、不可控。从微观结构出发,制备兼具介电损耗与磁损耗的核壳型纳米粒子,通过阻抗匹配及结构设计解决单一材料无法实现宽频吸收的关键技术难题。
  • 核壳型纳米粒子电化学储能:针对电极材料在电化学储能过程中由于体积涨缩造成的粉化失效。设计合成核壳型纳米结构,为活性材料结构约束和有效电荷转移提供解决方案。

邮箱:huanghao@dlut.edu.cn

 

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