4.4　多孔Fe2O3納米管的電化學性能表征

接下來，我們考察了多孔Fe2O3納米管作為鋰離子電池負極材料的電化學性能。循環伏安方法是考察物質電化學性能和電化學歷程的直接有效方法，所以我們首先使用循環伏安法對樣品進行了表征，掃描速度為0.1mV/s，電壓范圍0～3.0V。如圖4-7（a）所示，第一圈的循環伏安曲線中，電壓在1.55V，0.89V和0.55V處出現了3個還原峰。其中位于1.55V和0.89V處的還原峰可以歸因于Fe2O3轉化為α-LixFe2O3和Li2Fe2O3[31～33]。而位于0.55V的尖峰則歸因于由Fe（Ⅲ）到Fe（0）的轉化和電解液的分解。與之相對應的位于1.85V的氧化峰則歸因于由Fe（0）向Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）的轉化，可逆生成Fe2O3。而隨后的循環伏安曲線則展現了明顯的不同，這是由于脫鋰/嵌鋰過程中不可逆相轉化導致的。首先，在第二圈的循環伏安曲線中位于1.55和0.89V處的還原峰消失了，暗示了Fe2O3轉化為α-LixFe2O3和Li2Fe2O3的過程是不可逆的。其次，循環伏安曲線的峰強度明顯降低，暗示了在循環過程中電極材料的容量減小了。然而，隨后的循環伏安曲線幾乎重疊的，暗示了該電極材料在以后的循環過程中具有較高的可逆性和循環穩定性。

圖4-7　多孔Fe2O3納米管的循環伏安曲線、充放電曲線、循環性能和庫侖效率和倍率性能

圖4-7（b）顯示了多孔Fe2O3納米管在100mA/g的電流密度下的充放電曲線。該曲線不僅展現了與循環伏安曲線一致的氧化還原峰，而且展現了高的初始充放電容量（1041.1mA·h/g和1407.9mA·h/g）。不僅如此，多孔Fe2O3納米管在200mA/g的電流密度下，即使循環250圈后仍能展現出高的比容量（987.7mA·h/g），從而表現出好的循環性能[圖4-7（c）]。雖然該電極材料的初始庫侖效率較低，僅有73.9％，但是循環5圈后，庫侖效率升高至95％，50圈后則升高至98％，這也顯示該電極材料具有很好的可逆性能。有趣的是，在初始的50圈循環該電極材料的充放電容量呈現了降低的趨勢，降至512.6mA·h/g和524.3mA·h/g，但是隨后其充放電容量又呈現了上升的趨勢，循環250圈后，達到995mA·h/g和987.7mA·h/g。這與已報道的過渡金屬氧化物電極材料表現出相似的現象[34～36]。容量的降低主要是因為Fe2O3粒子在起始的充放電過程中，由于鋰離子的脫/嵌而出現聚集和粉碎所引起的。而隨著Fe2O3粒子變得越來越小，溶解和粉碎被有效抑制了，從而增強了電極材料的可逆性，導致多孔Fe2O3納米管的容量呈現了穩定的增強趨勢。

考慮到實際應用性能，有必要考察多孔Fe2O3納米管的倍率性能。圖4-7（d）顯示了該電極材料在不同電流密度下的倍率性能。在電流密度為0.4A/g、0.6A/g和1A/g時，該電極材料的比容量分別為868.4mA·h/g、554.4mA·h/g和358.8mA·h/g。而且經過60次的循環，該電極材料的比容量仍能恢復至881.9mA·h/g。因此，該電極材料具有突出的倍率性能。很顯然，這些突出的電化學性能與電極材料的特殊結構是密切相關的。多孔Fe2O3納米管不僅提供了有效的一維電子傳輸通道，短的鋰離子擴散路徑，而且可以提高活性材料與電解液的接觸，有效地減緩電極材料在循環過程中的膨脹，控制容量衰減，提高循環穩定性，而且可以緩解鋰離子脫嵌過程中導致的電極材料的膨脹和粉碎等問題，從而大大提高循環穩定性能。