power-sonic蓄电池锂离子与钠离子电池高性能电极：Fe2VO4/碳纳米管复合材料的制备及电化学性能
2026-04-18 11:36:19 点击： 次
钒酸铁(Fe2VO4)作为锂/钠离子电池负极材料具有高存储容量和丰富的原料资源优势。然而，由于剧烈的体积变化和较低的导电率，该材料会出现快速容量衰减现象。本研究报告了Fe2VO4采用简便的水热法结合退火工艺制备了碳纳米管（CNTs）复合材料，并对其在锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）中的电化学性能进行了系统研究。结构分析表明，引入柔性三维导电碳网络显著提升了复合材料的导电性，该网络还有效缓解了Fe的<Expansion>体积膨胀</Expansion>问题。2VO4纳米颗粒在重复充放电循环过程中的结构稳定性，有助于保持复合材料的结构完整性。电化学测试表明，Fe2VO4/CNTs复合材料在锂离子电池中表现出优异的循环稳定性和倍率性能，在5-1电流密度下循环500次后仍保持348.4 mAh g 的比容量，容量保持率为65.7%。在钠离子电池（SIBs）中，该复合材料同样展现出强劲的循环性能，在2 碳纳米管网络结构显著提升了电荷转移与离子扩散性能，这归因于其增强的导电性以及提供的丰富活性位点。该Fe-1VO /CNTs复合材料作为高性能碱金属离子电池的下一代负极材料具有重要应用前景。 g-1. The superior charge transfer and ion diffusion characteristics are attributed to the carbon nanotube network, which increases electrical conductivity and provides abundant active sites. The Fe2VO4/CNTs composite holds substantial promise as a next-generation anode material for high-performance alkali metal-ion batteries.
引言
对传统能源的过度依赖已导致严重的空气污染问题[1], [2], [3], [4]。因此，发展绿色储能技术势在必行。电动汽车的快速普及与大规模工业场景中日益增长的能源需求，共同推动了对创新型储能解决方案持续扩张的市场需求。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命及环境影响小的特点，被公认为最有效的电化学储能技术。近年来，钠离子电池（SIBs）凭借钠资源储量丰富且成本低廉的优势[5], [6]，日益受到学界关注。然而，反应速率较低和能量密度不足等现存缺陷，仍制约着钠离子电池的大规模应用。尽管石墨和硬碳因其优异的循环稳定性和广泛可用性而常被用作锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）的负极材料，但其能量密度仍不足以满足现代能源应用日益增长的需求。因此，应着力开发新型材料以应对当前社会紧迫的能源挑战[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。
钒酸盐作为钒氧化物与其他金属离子或团簇结合的衍生物，是混合过渡金属氧化物（MTMOs）的一个亚类，具有高可逆容量和增强的电子/离子导电性等特性[16], [17], [18], [19]。近年来，过渡金属钒酸盐（TMVs）因其卓越的离子存储能力和复杂的电化学行为，在锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）领域引起了广泛关注[20], [21], [22]。钒的多价态特性、多样化的配位几何结构以及不同金属元素间的协同效应，共同促进了电化学性能的显著提升。例如，Chen等人采用固相法合成了尖晶石型铁基材料2VO4并首次将其应用于锂离子电池。在1 C（C=0.118 ）电流密度下，该铁基 VO-1该材料表现出225 mAh g的可逆比容量2VO4 material demonstrated a reversible specific capacity of 225 mAh g-1.[23]
先前的研究表明，钒酸盐基电极材料存在若干固有缺陷，包括循环过程中显著的体积变化、迟缓的离子扩散动力学以及本征低电子电导率，这些因素共同阻碍了其在高倍率储能系统中的实际应用。为克服Fe2VO4电极的这些局限性，目前主要探索两种策略。一种方法是通过纳米结构化Fe2VO4以缩短离子/电子传输路径，并缓解由反复体积变化引起的机械应力。例如，Luoet al.[24]报道了通过表面溶剂化法制备的分级多孔Fe2VO4纳米颗粒，其多孔结构提高了电解质的可及性并部分缓冲了体积扩展包。然而，这类纳米结构Fe2VO4材料仍面临电子传导能力有限及长期高倍率循环下结构不稳定的问题。
或者，将铁2VO4与导电碳基体复合已被证明是增强电荷传输和机械鲁棒性的有效策略。先前研究已报道将金属钒酸盐与碳纳米管(CNTs)[25]、有序介孔碳(CMK-3)[26]以及还原氧化石墨烯(rGO)[27]复合的案例。尽管这些复合材料展现出改善的电化学性能，但大多数已报道体系依赖于随机混合或松散锚定的铁2VO4颗粒，这限制了界面电荷转移效率，并在长期循环过程中损害结构完整性。
在此背景下，构建一种界面耦合强、导电框架连续的Fe/CNTs复合体系极具应用价值，但相关研究仍显不足。%% 碳纳米管（CNTs）凭借其一维中空结构、卓越的导电性能和机械柔韧性，特别适用于同步解决Fe材料的导电性不足与体积膨胀问题。2VO4VO2更重要的是，这种相互缠绕的碳纳米管网络既能作为高效的电子传输通道，又可充当机械缓冲层，从而在高电流密度下实现稳定的电化学反应。4. More importantly, the intertwined CNT network can serve as both an efficient electron transport highway and a mechanical buffer, enabling stable electrochemical reactions under high current densities.
本研究报道了一种简便的水热辅助退火策略，用于制备均匀分布的Fe2VO4/CNTs复合材料。在该材料中，Fe2VO4纳米颗粒被紧密锚定在碳纳米管网络上，形成了坚固的三维导电结构。与已报道的Fe2VO4-基于复合材料，这种理性设计的结构不仅能抑制颗粒团聚并缓解体积诱导应力，还能最大化界面电荷转移和电化学活性位点。因此，Fe2VO4/碳纳米管复合材料在锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）中均表现出优异的倍率能力和长循环稳定性。具体而言，在5-1电流密度下循环500次后仍保持348.4 mAh g 的可逆容量；即使在10 在钠离子电池中，该电极在2A g<sup>-1</sup>电流密度下循环500次后仍能保持117.5 mAh g<sup>-1</sup>的稳定容量-1%% ，凸显了其在快速充电储能应用中的强大潜力。-1 is achieved even at 10 A g-1. In SIBs, the electrode delivers a stable capacity of 117.5 mAh g-1 after 500 cycles at 2 A g-1, highlighting its strong potential for fast-charging energy storage applications.