哈尔滨工程大学Zhuangjun Fan课题组–基于石墨烯带状混合网络的高倍率、稳定性和质量负载的高级锂离子电池

为了优化锂离子电池（LIBs）的循环寿命和倍率性能，合成了直径约2 nm的超细Fe₂O₃纳米线，它们均匀地锚定在交联的石墨烯带状网络上。独特的三维结构可有效提高电导率并促进离子扩散，尤其是横面扩散。此外，与传统石墨烯片材（Fe₂O₃/GS）相比，石墨烯带上的Fe₂O₃纳米线（Fe₂O₃/GR）易于获取锂离子。另外，发达的弹性网络不仅可以在重复循环过程中经历急剧的体积膨胀，而且还可以保护体电极免受进一步的粉碎。结果，Fe₂O₃/GR杂化物表现出高倍率和长寿命的Li存储性能（5 A/g时632 mAh/g，甚至在3000次循环后仍保持471 mAh/g的容量）。特别是在高质量负载（~4 mg cm^-2）时，与Fe₂O₃/GS（37 mAh/g）相比，Fe₂O₃/GR仍可提供更高的可逆容量（即使在2 A/g时为223 mAh/g）。

Figure 1. Fe₂O₃纳米线固定在GR上的合成过程示意图，以及Fe₂O₃/GS和Fe₂O₃/GR的相应Li离子转移途径。

Figure 2. a,b）Fe₂O₃₀/GR的SEM图像；c–e）Fe₂O₃/GR在不同放大倍数下的TEM图像（插图显示了SAED模式图像）；f）碳、铁和氧的相应元素映射图像。

Figure 3. Fe₂O₃/GR和Fe₂O₃/GS的a）氮吸附/解吸等温线、b）孔径分布曲线、c）XRD图谱和d）拉曼光谱；e）Fe₂O₃/GR的XPS光谱和相应的f）Fe 2p光谱。

Figure 4. a）Fe₂O₃/GR在0.1 mV/s时的CV曲线；b）Fe₂O₃/GR在0.1 A/g时的放电/充电曲线；c）Fe₂O₃、Fe₂O₃/GS和Fe₂O₃/GR的循环稳定性和d）倍率性能；e）在2 A/g下，Fe₂O₃/GR的循环寿命。

Figure 5. Fe₂O₃/GR的电化学动力学分析：a）在各种扫描速率下的CV曲线；b）logi与logv图；c）Fe₂O₃、Fe₂O₃/GS和Fe₂O₃/GR的电容贡献率；d）2 mV/s时Fe₂O₃/GR的相应电容贡献。

Figure 6. a）Fe₂O₃/GR的超长循环寿命性能；b）将结果与已报道的基于Fe₂O₃的电极进行比较；c）在5 A/g下经过3000次循环后，Fe₂O₃/GR的TEM图像。

相关研究成果于2019年由哈尔滨工程大学Zhuangjun Fan课题组，发表在Chem. Eur. J.（2019, 25, 5022 – 5027）上。原文：Advanced Li-Ion Batteries with High Rate, Stability, and Mass Loading Based on Graphene Ribbon Hybrid Networks。