本作品設(shè)計生長的雜化陣列結(jié)構(gòu)將碳材料和氧化物有序納米棒陣列的優(yōu)點集于一體。既利用了陣列結(jié)構(gòu)電極的電子傳輸快、體積膨脹小、活性材料利用率高等諸多優(yōu)點;又充分發(fā)揮了碳材料導電性好和機械強度高的優(yōu)勢,使電極材料能夠維持其陣列結(jié)構(gòu)的完整性(以增強循環(huán)能力)以及在高電流倍率下的工作性能。
氧化鐵(Fe2O3)不僅環(huán)境友好,易合成,容量高(1007 mAh/g),而且與鋰離子具有完全可逆的氧化還原反應。本文以FeCl3?6H2O和Na2SO4為原料,采用簡單的水熱法,旨在設(shè)計氧化鐵(Fe2O3)納米棒陣列作為電池負極材料,并對電池的循環(huán)壽命、快速充放電能力和工作機理進行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明,在倍率為0.5C時,(1C定義為每小時放4 mol的Li+,134.2 mA/g),陣列的首次放電容量約為1236 mAh/g,充電容量為840 mAh/g,遠大于商業(yè)上所用的石墨類碳材料負極的理論容量。自10次充放電后,其庫倫效率一直保持在98%以上。我們進一步地將α-Fe2O3納米棒陣列與納米棒粉末相比較時發(fā)現(xiàn),在50次循環(huán)后,陣列結(jié)構(gòu)材料的放電容量仍有562 mAh/g,不僅比碳材料負極的理論容量高出許多,較先前所報道的α-Fe2O3納米結(jié)構(gòu)電極也有著明顯的優(yōu)勢。然而,粉末電極在50次循環(huán)之后容量只有329 mAh/g,小于石墨類碳材料的理論容量372 mAh/g。由此可見,陣列結(jié)構(gòu)極大提高了電極的性能,這歸因于納米棒陣列優(yōu)異的電子傳輸和良好的應力緩沖能力。本文還通過充放電曲線描述了α-Fe2O3納米棒陣列在高倍率下的首次充放電性能,結(jié)果表明在2C倍率下的可逆容量(459 mAh/g)仍優(yōu)于石墨碳。我們將上述α-Fe2O3陣列進行進一步處理,得到了Fe3O4、碳修飾氧化鐵(C/α-Fe2O3)納米棒陣列,兩者均展現(xiàn)出了優(yōu)越的電化學性能。此結(jié)果表明,負極材料的導電性對于電化學性能的影響也十分重大。本研究為尋找新型的氧化物負極材料提供了科學的實驗依據(jù)。
第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎
論文 “Large-Scale Porous Hematite Nanorod Arrays: Direct Growth on Titanium Foil and Reversible Lithium Storage” 于2010年11月發(fā)表在ACS(美國化學學會)期刊 Journal of Physical Chemistry C(2010, 114, 21158–21164),期刊影響因子:4.224,國際刊號1932-7447