Ni、Co、Fe基复合材料的电化学性能研究

在三电极体系下测试FeG 复合物和α-FeOOH 的电化学性能，电解液为Li2SO4 水溶液。 图9.7(a)和(b)展示了FeG 和α-FeOOH 电极在-0.8 ～-0.1 V的电压范围内不同扫速下的CV 曲线对比图。 在不同扫速下，FeG 电极的CV 曲线呈现矩形，表明该电极材料具有良好的EDLC 行为及优异的电荷运输能力。 而α-FeOOH 电极的CV 曲线具有一对较弱的氧化还原峰，反应过程如下[327]：

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图9.7　FeG 复合物和α-FeOOH 电极在三电极体系中的CV 曲线图[(a)(b)]、恒电流充放电图[(c)(d)]、比电容值变化图(e)、循环稳定性图(f)

在氧化还原过程中，锂离子发生嵌入和脱出。 不同扫速下，FeG 电极CV曲线包含的面积明显大于α-FeOOH 电极，说明FeG 拥有更高的比电容，石墨烯的加入使氧化还原峰消失，这是由双电层电容的特性造成的。 FeOOH 和石墨烯之间的紧密作用及电荷的重新分配，为电子/离子提供了良好的通道和快速运输路径，有助于进一步提升电容性能。 在0.5 ～20 A/g 不同电流密度下，FeG 和α-FeOOH 的恒电流充放电(GCD)曲线如图9.7(c)和(d)所示。FeG 的GCD 曲线为几乎对称的三角形，呈现出典型的EDLC 特性，较小的电压降说明其内阻小。 α-FeOOH的GCD 曲线发生轻微的弯曲并含有两个电压平台，表现出传统的赝电容行为，与其CV 结果一致。 不同电流密度下所有FeG 电极的放电时间都比α-FeOOH 电极长，说明FeG 具有更高的比电容。 当电流密度为0.5 A/g 时，FeG 和α-FeOOH 的最大比电容分别为258.2 F/g 和167.1 F/g[图9.7(e)]，并且FeG 电极的倍率特性(电流密度为20 A/g 时，电容为149.7 F/g)明显优于α-FeOOH 电极(43.4 F/g)。 石墨烯，作为一种出色的生长基底，为FeOOH 提供了大量的结合位点，阻碍了FeOOH 的进一步堆叠，使FeOOH 晶体在FeG 复合物中可以缓慢地、均匀地生长，并且提升了纳米级FeOOH 的导电性和电接触能力。 然而，大多数纯α-FeOOH 生长过度，使FeOOH 在氧化还原过程中不能充分参与，导致比电容大幅降低[328]。 另外，石墨烯可以加速电子/离子在电极/电解液界面之间的传输，从而有助于FeG 倍率特性的提升。 电极材料的循环寿命是考察其实际应用价值的重要参数之一，在高电流密度10 A/g 下，FeG 和α-FeOOH 经过2 000 圈充放电后的循环性能如图9.7(f)所示。 FeG 展示出优异的循环稳定性，经过2 000 圈充放电后电容保持率高达90.2%(由162.6 F/g 降至146.7 F/g)。 而α-FeOOH 的初始比电容与经2 000 圈循环后的最终比电容分别为58.2 F/g 和45.7 F/g，电容保持率仅为78.5%。 由于石墨烯特殊的导电网络结构，FeG 的体积变化缓冲力和结构稳定性均有所提高，综上，在SCs 装置中，FeG 被认为是一种极具发展前景的电极材料。