等离子体增强化学气相沉积法制备WO 3-x /C复合材料及其储锂性能研究
发布时间：2021-01-04 10:32
三氧化钨（WO3）凭借其在锂离子电池中较高的理论比容量(～700mAh·g-1)以及廉价易得的特性而引起了科研工作者广泛的研究兴趣,然而其相对较差的导电性以及在循环过程中所发生的较大体积变化导致其倍率性能和循环性能并不理想。为了增强其导电性,减缓体积变化所带来的负面影响,本文采用等离子体增强的化学气相沉积法成功地在所制备的WO3-x纳米片上包覆含有氮元素掺杂的无定形碳。氮掺杂碳的包覆可以有效降低循环过程中发生的较大体积变化问题,而且可以提供更多的位点供锂离子进行嵌入/脱嵌。电化学测试表明,所制备的WO3-x/C电极相比于WO3-x电极和商业WO3电极,展现出更好的倍率性能和循环性能。动力学模拟与计算表明,经过碳包覆的WO3-x/C电极具有更小的电荷转移电阻和更快的锂离子扩散速率,从而有效提升其电化学性能。
【文章来源】：化学通报. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
三种样品的XRD图谱(a);WO3-x/C的W 4f谱(b)和全谱(c);三种样品的Raman图谱(d);WO3-x/C(e)和WO3(f)的氮气吸附/脱附曲线
为观察材料的形貌,接着进行了扫描电镜测试。从图2(a)与2(b)可以看出,煅烧后的WO3-x为直径约200～300 nm的椭圆形纳米片堆叠在一起,经过PECVD步骤后,可以清晰地看出无定形碳被很好地包覆在材料的表面。图2(c)与2(d)为图2(b)的元素映射图及相应的元素含量统计图。可以看出,以吡啶同时作为碳源和氮源时,这些含有氮元素掺杂的无定形碳能够较为均匀地包覆在材料的表面,从而有助于其电性能的提升。由元素映射统计的元素含量表明所包覆碳量约为9.81%。为了更准确地测试样品的含碳量,进一步对其进行热重分析,如图2(e)所示。在前200℃时有约1.8%的质量损失,可归因于材料中所含少量水分的蒸发;在350～500 ℃时约11.8%的质量损失是由于碳的氧化过程,因此可推断材料的含碳量约为11.8%,无定形碳可以较好地包覆在材料表面。2.2 电化学性能表征与测试
图4(b)显示了三种材料的倍率性能。当电流密度分别为100、300、500、1000 mA·g-1时,其相应的首次充电比容量分别为758.6、537.3、413.5、313.1 mAh·g-1。当电流密度再次回到100mA·g-1时,WO3-x/C电极的充电比容量为466.7mAh·g-1,其容量保持率为61.5%;相比之下,经过一系列电流密度的循环后,当重新返回到100mA·g-1时,WO3-x电极与商业WO3电极的容量保持率仅为46.1%和27.6%,远远小于WO3-x/C电极。这说明含氮掺杂的碳包覆对于电极材料循环稳定性的提高有较大的帮助。此外,还进行了大倍率下的长循环测试,如图4(c)所示。在1A·g-1的电流密度下,WO3-x/C电极的首圈放电和充电比容量分别为743.6和455.4 mAh·g-1,对应着61.2%的库伦效率;在循环1000圈以后,其仍能够保持约218.5mAh·g-1的可逆比容量,容量保持率约为48%,展现出较高的循环稳定性。2.3 电化学动力学分析与计算
【参考文献】：
期刊论文
[1]LiFePO4纳米晶的尺寸、形貌调控及锂电池性能研究[J]. 南彩云,张宇. 化学通报. 2018(04)
[2]三维介孔钴酸锌立方体的制备及其优异的储锂性能[J]. 甄绪,郭雪静. 物理化学学报. 2017(04)
本文编号：2956617
【文章来源】：化学通报. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
三种样品的XRD图谱(a);WO3-x/C的W 4f谱(b)和全谱(c);三种样品的Raman图谱(d);WO3-x/C(e)和WO3(f)的氮气吸附/脱附曲线
为观察材料的形貌,接着进行了扫描电镜测试。从图2(a)与2(b)可以看出,煅烧后的WO3-x为直径约200～300 nm的椭圆形纳米片堆叠在一起,经过PECVD步骤后,可以清晰地看出无定形碳被很好地包覆在材料的表面。图2(c)与2(d)为图2(b)的元素映射图及相应的元素含量统计图。可以看出,以吡啶同时作为碳源和氮源时,这些含有氮元素掺杂的无定形碳能够较为均匀地包覆在材料的表面,从而有助于其电性能的提升。由元素映射统计的元素含量表明所包覆碳量约为9.81%。为了更准确地测试样品的含碳量,进一步对其进行热重分析,如图2(e)所示。在前200℃时有约1.8%的质量损失,可归因于材料中所含少量水分的蒸发;在350～500 ℃时约11.8%的质量损失是由于碳的氧化过程,因此可推断材料的含碳量约为11.8%,无定形碳可以较好地包覆在材料表面。2.2 电化学性能表征与测试
图4(b)显示了三种材料的倍率性能。当电流密度分别为100、300、500、1000 mA·g-1时,其相应的首次充电比容量分别为758.6、537.3、413.5、313.1 mAh·g-1。当电流密度再次回到100mA·g-1时,WO3-x/C电极的充电比容量为466.7mAh·g-1,其容量保持率为61.5%;相比之下,经过一系列电流密度的循环后,当重新返回到100mA·g-1时,WO3-x电极与商业WO3电极的容量保持率仅为46.1%和27.6%,远远小于WO3-x/C电极。这说明含氮掺杂的碳包覆对于电极材料循环稳定性的提高有较大的帮助。此外,还进行了大倍率下的长循环测试,如图4(c)所示。在1A·g-1的电流密度下,WO3-x/C电极的首圈放电和充电比容量分别为743.6和455.4 mAh·g-1,对应着61.2%的库伦效率;在循环1000圈以后,其仍能够保持约218.5mAh·g-1的可逆比容量,容量保持率约为48%,展现出较高的循环稳定性。2.3 电化学动力学分析与计算
【参考文献】：
期刊论文
[1]LiFePO4纳米晶的尺寸、形貌调控及锂电池性能研究[J]. 南彩云,张宇. 化学通报. 2018(04)
[2]三维介孔钴酸锌立方体的制备及其优异的储锂性能[J]. 甄绪,郭雪静. 物理化学学报. 2017(04)
本文编号：2956617
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