DOI:10.1016/j.jallcom.2020.156097
負極材料的合理結構設計對鋰離子電池（LIB）的性能起著至關重要的作用。在本研究中，通過靜電紡絲技術結合可控的熱解制備了一種新型的一維碳基負極材料，該材料由均勻錨固在多孔氮摻雜碳納米棒上的超細中空FexOy納米粒子（NPs）組成（表示為FexOy@PN-CNR）。在Kirkendall型擴散作用下，Fe3C轉化為中空FexOy納米粒子。這種獨特的結構可以有效地防止氧化鐵納米粒子的聚集、溶解和粉碎，從而保持電極的結構完整性。此外，它還提供了一個連接的分層導電網絡，其中氮摻雜用于電子傳輸，并為快速Li+擴散提供豐富的可訪問多孔通道。結果表明，所制備的FexOy@PN-CNR復合材料作為LIBs的負極在1000 mA g-1下的100次循環期間，可提供1198.6 mAh g-1的超高可逆比容量。值得注意的是，即使以5000 mA g-1的大速率運行，也能獲得穩定的循環壽命（200次循環后為800 mA h g-1，庫侖效率接近100％）。本研究為制備具有優異電化學性能的納米結構負極材料提供了一種有前途的策略。
圖1.多孔氮摻雜FexOy@PN-CNR的制備示意圖，通過簡單的靜電紡絲和多步熱處理原位生長空心氧化鐵納米粒子并形成介孔。（b）多孔FexOy@PN-CNR的XRD圖譜；（c）Fe3C@CNF和FexOy@PN-CNR的拉曼光譜和（d）TGA曲線。
圖2.（a）FexOy@PN-CNR的高分辨率XPS光譜：（a）全XPS光譜，（b）Fe 2p，（c）C 1s和（d）N 1s。
圖3.（a），（b）Fe3C@CNF的SEM圖像，（e），（f）TEM和HRTEM圖像（圖（e）的插圖）；（c），（d）FexOy@PN-CNR的SEM圖像，（g），（h）TEM和HRTEM圖像（圖（g）的插圖）。藍色圓圈表示多孔結構特征和Fe3C/FexOy納米顆粒。（i）-（m）FexOy@PN-CNR的TEM（HAADF C O N Fe）元素映射。
圖4.所制備的LIB負極復合材料的電化學表征。（a）FexOy@PN-CNR前5個循環的CV曲線，掃描速率為0.5 mV s-1；（b）FexOy@PN-CNR在100 mA g-1下的恒流充電/放電曲線；（c）FexOy@PN-CNR，FexOy@CNF，N-CNF和Fe2O3電極在100-5000 mA g-1的各種電流密度下連續循環時的速率性能；（d）FexOy@PN-CNRs電極在0.1-5000 mA g-1的各種電流密度下的恒電流充電/放電曲線；（e）FexOy@PN-CNR，FexOy@CNF，N-CNF和Fe2O3在1000 mA g-1下的高循環性能。
圖5.（a）FexOy@PN-CNR電極在2000和5000 mA g-1高電流密度下的長循環性能；（b）FexOy@PN-CNR，FexOy@CNF，N-CNF和Fe2O3電極的奈奎斯特曲線，（c）Zre與ω-1/2圖；插圖顯示了它們相應的等效電路；（d）FexOy@PN-CNR電極在5000 mA g-1下的第100、第200次循環前后的奈奎斯特曲線。
圖6.（a）FexOy@PN-CNR在0.1到2 mV s-1的各種掃描速率下的CV曲線；（b）根據對數峰值電流和對數掃描速率之間的關系計算b值；（c）在1 mV s-1下FexOy@PN-CNR電極中容性電流和擴散電流的分離；（d）不同掃描速率下電容過程的貢獻。
圖7.（a）鋰離子嵌入過程中FexOy@PN-CNR的擬議模型；（b）FexOy@PN-CNR復合材料中吡咯N、石墨N和吡啶N的示意圖。（c）本工作中的材料與先前文獻中基于氧化鐵的材料的倍率性能比較。
