新型移動電子設(shè)備和新能源動力裝置的高速發(fā)展對電化學(xué)儲能領(lǐng)域提出了更高要求。研究和開發(fā)兼?zhèn)涓吣芰棵芏群凸β拭芏鹊男滦碗姌O材料已成為發(fā)展下一代鋰離子電池的關(guān)鍵。過渡金屬氧化物如氧化鐵等具有較高的理論儲鋰容量，近年來受到廣泛關(guān)注和研究。但目前鋰離子在這類材料中詳細(xì)存儲過程尚不完全清楚。
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組和中國礦業(yè)大學(xué)莊全超教授課題組合作，研究了γ-Fe2O3在電化學(xué)鋰化過程中的結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異鋰電池-超級電容的復(fù)合性能 。實驗中合成了緊密堆積結(jié)構(gòu)的γ-Fe2O3納米晶微球，微球中γ-Fe2O3納米晶之間通過無定形態(tài)FeOOH橋連形成穩(wěn)定的層級微球結(jié)構(gòu)。該材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)儲鋰性能，在100 mA/g電流密度的恒流充放電中具有1060 mAh/g的首次可逆容量，并且在經(jīng)歷140周循環(huán)過程中能很好地保持并略微上升，這一數(shù)值接近當(dāng)前商品化石墨負(fù)極材料理論容量的3倍。XRD結(jié)構(gòu)分析表明，該材料的首次鋰化過程包括4個主要步驟，分別為鋰離子在γ-Fe2O3晶體中16d位鐵離子空位的嵌入過程、鋰離子嵌入引起8a位鐵離子滑移到16c位的尖晶石-巖鹽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程、鋰離子在γ-Fe2O3晶體中剩余空位的可逆嵌入過程和微球中納米晶界的電容性儲鋰過程；在隨后的電化學(xué)循環(huán)中只有后面的兩個步驟是可逆的；γ-Fe2O3納米晶微球的充放電過程兼具鋰離子電池和超級電容器的特征，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的大倍率充放電性能。該研究成果發(fā)表在ACS旗下的ACS Applied Materials and Interfaces （DOI: 10.1021/acsami.5b08756）雜志上（影響因子6.723）。
北大新材料學(xué)院博士后田雷雷是該論文的第一作者，該工作的參與還包括美國阿崗國家實驗室（Argonne National Laboratory）Khalil Amine教授和Jun Lu教授。該工作的順利開展得到了廣東省引進(jìn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目和深圳市科技創(chuàng)新基礎(chǔ)項目的支持。
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文章鏈接：Lei-Lei Tian, Ming-Jian Zhang, Chao Wu, Yi Wei, Jia-Xin Zheng, Ling-Piao Lin, Jun Lu, Khalil Amine, Quan-Chao Zhuang*, and Feng Pan*. “γ-Fe2O3 Nanocrystalline Microspheres with Hybrid Behavior of Battery-Supercapacitor for Superior Lithium Storage”, ACS Appl. Mater. Interfaces, Article ASAP (2015). DOI: 10.1021/acsami.5b08756
