| 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 | |
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| 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 修订日期：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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