三维有序大孔Fe2SiO4/SiO2@C锂离子电池负极纳米玻璃陶瓷-碳复合材料制备及电化学性能
Synthesis and Electrochemical Performances of Three-Dimensionally Ordered Macroporous Fe2SiO4/SiO2@C Nano-Glass-Ceramic Materials as an Anode for Lithium-Ion Batteries
作者单位E-mail
孙茹 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064  
李东林 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064 donglinli@hotmail.com 
陈光琦 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064  
张巍 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064  
樊小勇 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064  
苟蕾 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064  
王艳茹 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064  
程旖旎 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064  
赵珍珍 长安大学材料科学与工程学院, 能源材料与器件研究所, 西安 710064  
摘要: 以聚苯乙烯(PS)胶晶作为铸模,采用纳米铸造工艺及后续煅烧的方法合成了三维有序大孔Fe2SiO4/SiO2@C纳米玻璃陶瓷锂离子电池负极材料。溶胶-凝胶工艺产生的凝胶在650℃氩气氛炉中煅烧后,Fe2SiO4纳米晶体从含铁元素的SiO2基玻璃中结晶析出,形成由Fe2SiO4纳米晶体、铁离子(Fe3+)修饰的玻璃态SiO2和非晶碳组成的三维有序大孔纳米玻璃陶瓷。在50 mA·g-1电流密度下进行充放电时,其放电容量可达450 mAh·g-1以上,电流密度增加到250 mA·g-1时可逆放电容量仍旧稳定地保持在260 mAh·g-1,而具有同样有序大孔结构和含碳量的非晶态SiO2@C材料的放电比容量在50 mA·g-1电流密度时仅为15 mAh·g-1。这些结果表明,Fe2SiO4纳米晶体及Fe3+有助于SiO2基玻璃陶瓷实现可逆储锂过程。
关键词: 锂离子电池  二氧化硅  玻璃陶瓷  三维有序大孔
基金项目: 国家自然科学基金(No.21473014,21073021,21103013)、中央高校基础研究经费(No.0009-310831153505)和陕西省自然科学基金(No.2016JM5082)资助项目。
Abstract: A three-dimensionally ordered macroporous (3DOM) Fe2SiO4/SiO2@C nano-glass-ceramic as an anode material for lithium-ion battery is successfully synthesized using a polystyrene (PS) colloidal crystal nano-casting and post-calcination. After a gel is calcined at 650℃ under an argon atmosphere, Fe2SiO4 nanocrystals grow from iron-containing SiO2-based glass, resulting in 3DOM nano-glass-ceramic consisted of Fe2SiO4 nanocrystals, Fe3+-doped glassy SiO2 and amorphous carbon. The resultant 3DOM Fe2SiO4/SiO2@C nano-glass-ceramic exhibits a highly reversible discharge capacity up to 450 mAh·g-1 at a current density of 50 mA·g-1, and 260 mAh·g-1 at 250 mA·g-1 in the voltage range of 0.05~3.0 V, while the 3DOM amorphous SiO2@C composite with same porous structure only delivers 15 mAh·g-1 at 50 mA·g-1. Compared to the 3DOM amorphous SiO2@C composite, the 3DOM Fe2SiO4/SiO2@C nano-glass-ceramic anode exhibits a significantly improved capacity and high-rate performancse. These results mean that the Fe2SiO4 and Fe3+ can enhance reversible lithium storage capability and high-rate performances of SiO2-based nano-glass-ceramics.
Keywords: lithium-ion battery  SiO2  nano-glass-ceramic  three-dimensionally ordered macroporous
投稿时间:2016-11-04 最后修改时间:2017-01-04
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孙茹,李东林,陈光琦,张巍,樊小勇,苟蕾,王艳茹,程旖旎,赵珍珍.三维有序大孔Fe2SiO4/SiO2@C锂离子电池负极纳米玻璃陶瓷-碳复合材料制备及电化学性能[J].无机化学学报,2017,33(3):471-478.
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