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新材料学院在氧化铁基电池-超级电容领域取得进展
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  新型移动电子设备和新能源动力装置的高速发展对电化学储能领域提出了更高要求。研究和开发兼备高能量密度和功率密度的新型电极材料已成为发展下一代锂离子电池的关键。过渡金属氧化物如氧化铁等具有较高的理论储锂容量,近年来受到广泛关注和研究。但目前锂离子在这类材料中详细存储过程尚不完全清楚。
  近日,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授课题组和中国矿业大学庄全超教授课题组合作,研究了γ-Fe2O3在电化学锂化过程中的结构变化,发现具有优异锂电池-超级电容的复合性能 。实验中合成了紧密堆积结构的γ-Fe2O3纳米晶微球,微球中γ-Fe2O3纳米晶之间通过无定形态FeOOH桥连形成稳定的层级微球结构。该材料表现出了优异的电化学储锂性能,在100 mA/g电流密度的恒流充放电中具有1060 mAh/g的首次可逆容量,并且在经历140周循环过程中能很好地保持并略微上升,这一数值接近当前商品化石墨负极材料理论容量的3倍。XRD结构分析表明,该材料的首次锂化过程包括4个主要步骤,分别为锂离子在γ-Fe2O3晶体中16d位铁离子空位的嵌入过程、锂离子嵌入引起8a位铁离子滑移到16c位的尖晶石-岩盐结构转变过程、锂离子在γ-Fe2O3晶体中剩余空位的可逆嵌入过程和微球中纳米晶界的电容性储锂过程;在随后的电化学循环中只有后面的两个步骤是可逆的;γ-Fe2O3纳米晶微球的充放电过程兼具锂离子电池和超级电容器的特征,从而表现出优异的大倍率充放电性能。该研究成果发表在ACS旗下的ACS Applied Materials and Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.5b08756)杂志上(影响因子6.723)。



 
  北大新材料学院博士后田雷雷是该论文的第一作者,该工作的参与还包括美国阿岗国家实验室(Argonne National Laboratory)Khalil Amine教授和Jun Lu教授。该工作的顺利开展得到了广东省引进科技创新团队项目和深圳市科技创新基础项目的支持。

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文章链接: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