리튬 이온 배터리용 석류 모양 Fe2O3/C 양극의 제조 및 전기화학적 특성

결과 및 토론

Fe₂의 결정학적 구조 O₃ /C 나노복합체는 XRD로 확인하였으며, 그 결과를 Fig. 1a에 나타내었다. Fe₂의 XRD 패턴이 O₃ /C 나노복합체는 Fe₂의 적철광 결정 구조로 인덱싱될 수 있습니다. O₃ (JPDS No. 33-0664). Fe₂의 회절 피크 O₃ (012), (104), (110), (006), (113), (024), (116), (018), (214), (300), (208) 결정면은 명확하게 관찰. 탄소의 결정화 온도보다 낮은 열수 반응 온도(190°C)로 인해 탄소의 회절 피크가 감지되지 않습니다.

아 Fe₂의 XRD 패턴 O₃ /C 나노복합체. ㄴ Fe₂의 라만 스펙트럼 O₃ /C 나노 복합재

라만 측정은 Fe₂의 형성을 확인하는 데 사용됩니다. O₃ /C 나노복합체. 그림 1b와 같이 라만 스펙트럼은 약 1306cm ⁻¹ 에 위치한 피크를 나타냅니다. Fe₂의 특징인 적철광 2-마그논 산란과 관련됨 O₃ . 그 Fe₂로 인해 O₃ Fe₂의 피크인 탄소로 코팅되었습니다. O₃ 명확하지 않다[25]. 1396cm ⁻¹ 에서 피크 및 1571cm ⁻¹ 는 각각 특징적인 탄소 D-밴드 및 G-밴드 피크입니다. 전자는 무질서한 탄소에 해당하고 후자는 2D 흑연에 해당합니다. D 밴드와 G 밴드 사이의 강도비(ID/IG)가 낮은 값은 상대적인 흑연 탄소의 양이 많고 탄소층의 우수한 전기 전도도를 의미하며 이는 Fe₂의 전도도에 유리합니다. O₃ /C 나노복합체.

제품의 화학 조성 및 원자가 상태를 추가로 평가하기 위해 XPS 조사 스펙트럼이 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a는 Fe₂의 XPS 전체 스캔 스펙트럼을 나타냅니다. O₃ /C 나노복합체. C 1s, O 1s 및 Fe 2p 코어 광이온화 신호와 Fe Auger 및 O Auger 신호를 명확하게 찾을 수 있습니다. Fe 2p 코어 레벨의 XPS 고해상도 스캔은 그림 2b에 나와 있습니다. 711.6 및 725.2 eV의 피크는 Fe 2p_3/2에 해당하는 것으로 나타났습니다. 및 Fe 2p_1/2 Fe 2p 스펙트럼에서 각각. 결합 에너지 차이는 13.6eV로 Fe의 3가 산화 상태와 일치합니다[26]. Fe₂의 C 1s 스펙트럼 O₃ /C(그림 3c)는 C–C/C=C(284.2 eV), C=O(287.3 eV) 및 O–C=O(290.4 eV) 기의 세 가지 탄소 함유 작용기를 제안합니다. O 1s 스펙트럼(그림 3d)에서 Fe–O–C 결합(533.4 eV)의 존재는 Fe₂ 사이에 강한 계면 상호작용(Fe–O–C 결합)이 있음을 나타냅니다. O₃ 및 탄소 기반 매트릭스.

아 Fe₂의 XPS 조사 스펙트럼 O₃ /C, b Fe 2p, c C 1 및 d O 1s 스펙트럼

아 , b Fe₂의 SEM 이미지 O₃ /C 나노복합체; 삽입:Fe₂의 기공 크기 분포 O₃ /C 합성물. ㄷ , d Fe₂의 TEM 이미지 O₃ /C 나노복합체. 이 고해상도 TEM 이미지 및 f Fe₂의 해당 SAED 패턴 O₃ /C

Fe₂의 SEM 이미지 O₃ /C 나노복합체는 그림 3a, b에 나와 있습니다. 30~40nm의 균일한 크기를 가진 구형 나노입자가 균일하게 분산되어 있음을 알 수 있습니다. 입자 사이에 많은 공간이 남아 있어 3D 전도성 구조를 형성합니다. Fe₂의 평균 직경 O₃ /C 입자는 그림 3a에 삽입된 것처럼 34.3nm인 것으로 나타났습니다.

Fe₂에 대한 자세한 정보 O₃ /C 나노 복합재는 TEM 이미지로 추가 모니터링됩니다(그림 3). 그림 3c, d와 같이 Fe₂ O₃ 나노 입자는 탄소 껍질 안에 잘 둘러싸여 있어 석류 코어-쉘 구조를 의미합니다. Fe₂의 고해상도 투과전자현미경(HRTEM) 분석에 따르면 O₃ /C 코어-쉘 나노입자(그림 3e), Fe₂의 결정면 O₃ (104), (012)의 거리 간격이 0.33 nm와 0.27 nm인 것을 명확하게 확인할 수 있으며, 이는 위의 XRD 테스트 결과와 일치합니다. Fe₂ O₃ 나노 입자는 약 1.75nm 두께의 탄소 층으로 잘 덮여 있습니다. 해당하는 SAED(선택 영역 전자 회절) 패턴은 샘플의 다결정 회절 고리가 Fe₂에 해당함을 확인합니다. O₃ 그림 3f와 같이 평면입니다.

그림 4a는 0.1mV s ⁻¹ 스캔 속도에서 전압 범위가 0.01~3.0V인 CV 플롯을 보여줍니다. . 첫 번째 주기에서 약 0.7V의 음극 피크는 Fe ³⁺ 의 대화로 여겨졌습니다. Fe ⁰ 으로 고체 전해질 계면(SEI) 필름의 형성뿐만 아니라 0.1V 근처의 넓은 피크는 Li ⁺ 와 관련될 수 있습니다. 탄소에 이온 삽입 및 LiC₆ 형성 [27]. 1.75V에서 지배적인 양극 피크는 Fe ⁰ 의 산화에 기인할 수 있습니다. Fe ³⁺ 까지 . 관련 반응은 Eq.로 설명할 수 있습니다. (1) [27]:

순환 전압전류도(a ) 및 전압 프로필(b ) Fe₂ O₃ /C 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 주기에서 합성합니다. ㄷ Fe₂의 사이클 성능 O₃ /C 및 Fe₂ O₃ 100mA g ⁻¹ 에서 나노입자 . d Fe₂의 속도 기능 O₃ /C 및 Fe₂ O₃ 전류 밀도 범위가 100~2000mA g ⁻¹ 인 나노입자

다음 주기에서 음극 및 양극 피크의 위치는 모두 더 높은 전위(각각 0.8 및 1.78V)로 이동했으며, 이는 Fe₂의 향상된 역학에 기인할 수 있습니다. O₃ 구조 재정렬 및 ​​전기화학적 활성화 후 전극. 한편, CV 곡선의 강도는 약간 떨어졌는데, 이는 전해질과 전극 사이의 전기적 접촉이 양호하고 안정적인 SEI 필름이 형성되었기 때문일 수 있습니다. 또한 다음 주기에서 중첩된 CV 곡선은 우수한 전기화학적 가역성을 의미합니다.

Fe₂의 초기 3회 충전/방전 사이클링 결과 O₃ 100mA g ⁻¹ 의 정전류 밀도에서 /C 전극 그림 4b에 나와 있습니다. Fe₂의 첫 번째 방전 용량 O₃ /C는 917 mAh g ⁻¹ 였습니다. 760mAh g ⁻¹ 에 불과했습니다. 충전 중. 용량 손실은 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 막의 불가피한 형성으로 인해 발생할 수 있습니다. 두 번째 및 세 번째 주기의 가역 용량은 776 및 763mAh g ⁻¹ 입니다. 각기. 우수한 순환 안정성을 나타냅니다.

100mA g ⁻¹ 전류 밀도에서 전극의 사이클링 성능 그림 4c에 나와 있습니다. Fe₂의 두 번째 방전 용량 O₃ /C는 776mAh g ⁻¹ 입니다. , 그리고 100번의 사이클 후에 전극은 705mAh g ⁻¹ 의 특정 용량을 유지했습니다. , 이는 2차 방전 용량의 약 90%로 양호한 사이클링 성능을 나타냅니다. 그리고 쿨롱 효율은 100회 주기 후 거의 100%에 도달하여 우수한 전기화학적 성능을 더욱 확인시켜줍니다. Fe₂의 속도 성능 O₃ 100~2000mA g ⁻¹ 범위의 전류 밀도에서 /C 그림 4d에 표시됩니다. 710mAh g ⁻¹ 의 충전 용량으로 우수한 속도 성능을 보였습니다. , 620mAh g ⁻¹ , 580mAh g ⁻¹ 및 480mAh g ⁻¹ 100mA g ⁻¹ 에서 , 200mA g ⁻¹ , 500mA g ⁻¹ 및 2000mA g ⁻¹ , 각각. 속도가 100mA g ⁻¹ 로 되돌아간 경우 , 전극의 용량은 680mAh g ⁻¹ 로 돌아갔습니다. , 우수한 비율 능력을 보여주었다. 우수한 전기화학적 성능은 주로 강화된 코어-쉘 구조적 안정성에 기인하며 탄소는 전기 전도성을 향상시킵니다. 모든 코어-쉘 구조는 석류로 연결되어 전자 전달을 개선하여 전기 전도성을 개선하고 구조적 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

그림 4c, d는 Fe₂의 사이클링 성능도 보여줍니다. O₃ 100mA g ⁻¹ 에서 나노입자 양극 . Fe₂의 첫 번째 방전 용량 O₃ 나노 입자는 약 720.9mAh g ⁻¹ 입니다. , 하지만 100번의 사이클 후에는 396.5mAh g ⁻¹ 의 특정 용량만 유지했습니다. . 그리고 Fe₂의 속도 성능 O₃ 100~2000mA g ⁻¹ 범위의 전류 속도에서 나노입자 그림 4d에 나와 있습니다. Fe₂의 용량 O₃ 양극은 570mAh g ⁻¹ 입니다. , 505mAh g ⁻¹ , 450mAh g ⁻¹ 및 345mAh g ⁻¹ 100mA g ⁻¹ 에서 , 200mA g ⁻¹ , 500mA g ⁻¹ 및 2000mA g ⁻¹ , 각각. 속도가 100mA g ⁻¹ 로 되돌아간 경우 , 전극의 용량은 395mAh g ⁻¹ 로 돌아갔습니다. . 따라서 Fe₂의 전기화학적 속도와 사이클링 성능은 O₃ 나노 입자 양극은 Fe₂만큼 60% 좋지 않습니다. O₃ /C 양극, 이는 주로 Fe₂의 부피 팽창으로 인한 것입니다. O₃ 충전 및 방전 과정에서 나노 입자.

이론 용량(C _테오. ) 석류 모양의 Fe₂ O₃ /C 양극은 C입니다. _테오. =C _{Fe2O3, 테오.} × Fe₂ O₃ % + C _{카본, 테오.} × 탄소% =1007 × 54.8% + 372 × 45.2% =720mAh g ⁻¹ . 100mA g ⁻¹ 에서 충전/방전 주기 후 100주기 동안 방전 용량은 약 705mAh g ⁻¹ 로 유지되었습니다. , 이론 용량보다 약간 낮습니다. 이러한 고용량은 Fe₂ 사이의 시너지 상호 작용으로 인해 발생할 수 있습니다. O₃ 탄소.

그림 5는 Fe₂의 전기화학적 임펜던스 분광법(EIS)을 보여줍니다. O₃ 및 Fe₂ O₃ /C 전극 100주기 전후. Nyquist 플롯에서 고주파수 반원은 전극의 전하 전달 저항과 연결되어 있는 반면, 저주파에서의 기울기 선은 활성 물질 확산으로 Li 이온의 Warburg 임피던스를 나타냅니다. 반원이 작을수록 전극의 전하 이동 저항이 낮다는 것은 잘 알려져 있습니다. 분명히 코어 껍질 석류 모양의 Fe₂에 대한 반원의 지름은 O₃ /C 사이클 전후 합성은 Fe₂보다 훨씬 작습니다. O₃ 코어쉘 석류 모양의 Fe₂ O₃ /C 복합 전극은 양극 재료로 사용될 때 순수한 Fe₂보다 더 낮은 접촉 및 전하 전달 임피던스를 가집니다. O₃ 견본. 이 결과는 Fe₂의 다공성 석류 모양 구조에 기인할 수 있습니다. O₃ /C 양극은 부피 변화에 적응하고 Li ⁺ 를 촉진하기 위해 더 많은 공간을 제공할 수 있습니다. 리튬화 및 탈리튬화 과정 중 이온 확산.

Fe₂의 나이퀴스트 플롯 O₃ 및 Fe₂ O₃ /C 전극

얻어진 코어쉘 석류모양 Fe₂의 리튬 저장 성능 O₃ /C 양극 및 관련 Fe₂ O₃ 기존 문헌에서 보고된 /C 재료는 표 1에 요약되어 있다[27,28,29,30,31,32,33,34]. 석류 모양의 Fe₂ O₃ /C 양극은 보고된 대부분의 양극보다 사이클링 후 더 높은 용량을 보여줍니다. 리튬 이온 저장에서 재료의 우수한 성능은 미세한 코어 쉘 Fe₂ 뿐만 아니라 풍부한 다공성을 갖는 거시적 석류 모양의 독특한 구조에 기인할 수 있습니다. O₃ -C 구조, 활성 Fe₂에 대한 우수한 전기 전도성 보장 O₃ , 주기 동안 큰 부피 변화를 수용하고 Li 이온의 빠른 확산을 촉진합니다.