摘要
锂离子电池在动力、储能等领域得到了广泛的应用，这对减少温室气体排放有着重要作用。但商用的石墨负极较低的理论比容量限制了其在大功率设备的应用。因此，开发适合实际应用的新型高容量阳极材料是十分必要的。Fe2O3具有理论比容量高(1007 mAh g-1)、毒性低、储量丰富、成本低、易于制造等优点，使其成为更适用和更环保的选择。然而，由于 Fe2O3导电性差和体积变化大导致容量衰减快，限制了其实际应用。通常使用以下三种方法来提升 Fe2O3的电化学性能：第一种方法是将 Fe2O3设计成纳米结构增加比表面积。第二种方法是与碳材料复合，提高复合材料的导电性并缓冲充放电过程中产生的应力。第三种方法是引入氧空位，这种方法可以从本质上改变材料的物理化学性质，通过调整电子结构提高电导率；加快离子传输和电荷转移，减少 Li+嵌入/脱出过程中产生的应力，并提供更多的活性位点增加电池容量。将 Fe2O3设计成纳米结构能够提供更高的容量，但是其稳定性和倍率还需进一步提升，通常在Fe2O3设计成纳米结构的基础上与碳材料复合或者引入氧空位来进一步提高Fe2O3的电化学性能。基于此，本论文主要研究内容如下： （ 1 ）引入氧空位改善 Fe2O3的电化学性能。以 FeCl3·6H2O 为 Fe 源， NaHCO3调节 pH后通过水热法得到块状的 Fe2O3纳米颗粒，之后将 Fe2O3与三聚氰胺混合煅烧来引入氧空位。高温煅烧三聚氰胺会释放氨气等气体，为引入氧空位提供还原气氛，三聚氰胺向片状材料缩合促使 Fe2O3向片状聚集。在空气气氛下煅烧时，得到了含有氧空位的片状 Vo-Fe2O3，具有良好的电化学性能。在2 A g-1下倍率测试时比容量为 614 mAh g-1；在 1 A g-1循环 500圈后容量保持在485 mAh g-1，容量保持率为 58%。Vo-Fe2O3片层聚集体和较小的颗粒尺寸有利于和电解液的充分接触，缩短了离子传输的距离；氧空位的引入提高了 Vo-Fe2O3电极材料的导电性、促进锂离子的扩散、提供额外的反应活性位点并增加赝电容的贡献，因此表现出较好的循环性能和倍率性能。在氩气气氛下制备了含有氧空位的片状 Fe3O4/FeNx复合材料。除了氧空位增加材料导电性外，Fe3O4和FeNx的协同作用缓解了电极材料体积膨胀造成电极结构的破坏，在1 A g-1电流密度下循环 500圈后容量为 420 mAh g-1；但是三聚氰胺在氩气气氛中煅烧后残留的碳氮化合物（g-C3N4）比容量低且导电性差，使得复合材料的倍率性能没有明显提升。 （2）g-C3N4及其演变的氮掺杂碳（NC）材料负载 Fe2O3提高电化学性能。为了进一步说明g-C3N4对Fe3O4/FeNx复合材料的影响，通过酸剥离处理g-C3N4，得到片层较薄的 g-C3N4材料，以 FeCl3·6H2O为 Fe源，通过水热法在其表面生长 Fe2O3，得到 Fe2O3/g-C3N4复合材料。Fe2O3/g-C3N4复合材料循环稳定，在 1 A g-1的电流密度下循环 500圈后保持的容量为 425 mAh g-1，但倍率性能较差并且阻抗增大，说明了 g-C3N4材料虽然有助于提高电极材料的稳定性，但是由于导电性差不利于电极在大电流下运行。为了提高其导电性，碳化处理 g-C3N4得到NC材料，并通过水热法得到 Fe2O3/NC复合材料。在 2 A g-1测试的倍率比容量为 840 mAh g-1，在 1 A g-1循环 500圈后保持的容量为 560 mAh g-1，容量保持率为76.2%。在更大电流密度 2 A g-1下循环 500圈后保持的容量为 490 mAh g-1，容量保持率为 62.5%。Fe2O3/NC 材料表现了优异的的倍率性能和循环稳定性。这是由于 NC 材料具有良好的导电性，同时较大的孔隙率以及碳材料的机械韧性减轻了锂离子嵌入和脱出时体积膨胀带来的应力。提高了电化学稳定性。
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