4.4　多孔Fe2O3纳米管的电化学性能表征

接下来，我们考察了多孔Fe2O3纳米管作为锂离子电池负极材料的电化学性能。循环伏安方法是考察物质电化学性能和电化学历程的直接有效方法，所以我们首先使用循环伏安法对样品进行了表征，扫描速度为0.1mV/s，电压范围0～3.0V。如图4-7（a）所示，第一圈的循环伏安曲线中，电压在1.55V，0.89V和0.55V处出现了3个还原峰。其中位于1.55V和0.89V处的还原峰可以归因于Fe2O3转化为α-LixFe2O3和Li2Fe2O3[31～33]。而位于0.55V的尖峰则归因于由Fe（Ⅲ）到Fe（0）的转化和电解液的分解。与之相对应的位于1.85V的氧化峰则归因于由Fe（0）向Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）的转化，可逆生成Fe2O3。而随后的循环伏安曲线则展现了明显的不同，这是由于脱锂/嵌锂过程中不可逆相转化导致的。首先，在第二圈的循环伏安曲线中位于1.55和0.89V处的还原峰消失了，暗示了Fe2O3转化为α-LixFe2O3和Li2Fe2O3的过程是不可逆的。其次，循环伏安曲线的峰强度明显降低，暗示了在循环过程中电极材料的容量减小了。然而，随后的循环伏安曲线几乎重叠的，暗示了该电极材料在以后的循环过程中具有较高的可逆性和循环稳定性。

图4-7　多孔Fe2O3纳米管的循环伏安曲线、充放电曲线、循环性能和库仑效率和倍率性能

图4-7（b）显示了多孔Fe2O3纳米管在100mA/g的电流密度下的充放电曲线。该曲线不仅展现了与循环伏安曲线一致的氧化还原峰，而且展现了高的初始充放电容量（1041.1mA·h/g和1407.9mA·h/g）。不仅如此，多孔Fe2O3纳米管在200mA/g的电流密度下，即使循环250圈后仍能展现出高的比容量（987.7mA·h/g），从而表现出好的循环性能[图4-7（c）]。虽然该电极材料的初始库仑效率较低，仅有73.9％，但是循环5圈后，库仑效率升高至95％，50圈后则升高至98％，这也显示该电极材料具有很好的可逆性能。有趣的是，在初始的50圈循环该电极材料的充放电容量呈现了降低的趋势，降至512.6mA·h/g和524.3mA·h/g，但是随后其充放电容量又呈现了上升的趋势，循环250圈后，达到995mA·h/g和987.7mA·h/g。这与已报道的过渡金属氧化物电极材料表现出相似的现象[34～36]。容量的降低主要是因为Fe2O3粒子在起始的充放电过程中，由于锂离子的脱/嵌而出现聚集和粉碎所引起的。而随着Fe2O3粒子变得越来越小，溶解和粉碎被有效抑制了，从而增强了电极材料的可逆性，导致多孔Fe2O3纳米管的容量呈现了稳定的增强趋势。

考虑到实际应用性能，有必要考察多孔Fe2O3纳米管的倍率性能。图4-7（d）显示了该电极材料在不同电流密度下的倍率性能。在电流密度为0.4A/g、0.6A/g和1A/g时，该电极材料的比容量分别为868.4mA·h/g、554.4mA·h/g和358.8mA·h/g。而且经过60次的循环，该电极材料的比容量仍能恢复至881.9mA·h/g。因此，该电极材料具有突出的倍率性能。很显然，这些突出的电化学性能与电极材料的特殊结构是密切相关的。多孔Fe2O3纳米管不仅提供了有效的一维电子传输通道，短的锂离子扩散路径，而且可以提高活性材料与电解液的接触，有效地减缓电极材料在循环过程中的膨胀，控制容量衰减，提高循环稳定性，而且可以缓解锂离子脱嵌过程中导致的电极材料的膨胀和粉碎等问题，从而大大提高循环稳定性能。