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文 章 信 息
通过 Co 掺杂调整 Fe2N@C 纳米片的功函数以增强锂存储
第一作者：陈一帆、黄强
通讯作者：张琴、杨年俊
单位：武汉科技大学、哈瑟尔特大学
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研 究 背 景
锂离子电池以其循环寿命长、功率密度高、容量大、能效高、自放电低等优点，一直主导着便携式电子设备和电动汽车的电源市场。电极材料决定了能量密度和容量，是LIBs中最重要的组成部分。氮化铁作为活性材料，由于其在充放电循环过程中动力学慢，体积变化大，导致容量衰减快，倍率性能差，距离实际应用还很遥远。为了克服这些问题，通常采用将活性材料的尺寸减小到纳米级或与碳复合的方法来促进动力学，从而提高锂的储存性能。然而，简单的纳米结构设计或碳涂层并不能完全保证反复锂化/去锂化过程中的性能和结构稳定性。掺杂可以改变材料的晶格间距，从而调节材料的功函数，优化锂离子的吸附能，加速电荷转移，从而提高负极材料的性能。
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文 章 简 介
近日，来自武汉科技大学的张琴副教授与哈瑟尔特大学的杨年俊教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Tuning Work Function of Fe2N@C Nanosheets by Co Doping for Enhanced Lithium Storage”的研究论文。
该研究以Fe2N为例，利用Co掺杂增强Fe2N的功函数，加速电荷转移，加强对Li+离子的吸附。不同Co掺杂的Fe2N纳米颗粒锚定在蜂窝多孔泡沫碳（Cox-Fe2N@C）表面。共掺杂可以扩大原始Fe2N的功函数，从而优化充放电动力学。功函数可以从5.23 eV（原始Fe2N）增加到5.67 eV（Co0.3-Fe2N@C）和5.56 eV（Co0.1-Fe2N@C）。正如预期的那样，Co0.1-Fe2N@C电极表现出最高的比容量（在100 mA g-1时为673 mA h g-1）和显著的速率能力（在5000 mA g-1时为375 mA h g-1），优于大多数报道的TMNs电极。因此，这项工作为设计和调节高性能甚至商用锂离子电池的负极材料提供了一种有前途的策略。
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图 文 要 点
要点一：蜂窝多孔泡沫碳Cox-Fe2N@C模型的功函数计算分析
图1.a) Cox-Fe2N的分子结构模型示意图；b - d) Fe2N@C (b)Co0.1-Fe2N@C (c)Co0.3-Fe2N@C (d)的功函数计算值；e) Fe2N@C、Co0.1-Fe2N@C、Co0.3-Fe2N@C的UPS测量截止区域；f) Fe2N@C、Co0.1-Fe2N@C和Co0.3-Fe2N@C的能量图。
要点二：蜂窝多孔泡沫碳Cox-Fe2N@C的形貌表征
图2.a,b) Co0.1-Fe2N@C不同放大倍数下的SEM图；c-f) Co0.1-Fe2N@C的TEM图、粒径分布图及选区电子衍射图；g) Co0.1-Fe2N@C的SEM图及元素分布图
要点三：蜂窝多孔泡沫碳Cox-Fe2N@C的结构表征
图3.a,b) Fe2N@C、Co0.1-Fe2N@C和Co0.3-Fe2N@C的XRD图；Co0.1 -Fe2N@C的XPS中的c) C 1s精细谱，d) Fe 2p精细谱，e) Co 2p精细谱，f) N 1s精细谱。
要点四：Cox-Fe2N@C复合负极的电化学性能分析
图4.a) Co0.1-Fe2N@C负极在扫描速率为0.2 mV s−1时的后续cv；b) Co0.1-Fe2N@C负极在不同电流密度下的恒流充放电曲线；c) 0.5 A g−1电流密度下Fe2N@C、Co0.1-Fe2N@C和Co0.3-Fe2N@C负极的恒流充放电曲线；d)在0.1 ~ 5 A g−1不同电流密度下获得的Fe2N@C、Co0.1-Fe2N@C和Co0.3-Fe2N@C的速率能力；e)电流密度为2 A g−1时Co0.1-Fe2N@C的循环稳定性和库仑效率。
要点五：Cox-Fe2N@C复合负极电化学动力学分析
图5. a) Co0.1-Fe2N@C在不同扫速下的循环伏安曲线，b) Co0.1-Fe2N@C相应b值拟合图，c) Fe2N@C、Co0.1-Fe2N@C和Co0.3-Fe2N@C样品在不同扫速下的赝电容贡献柱状图，d)在1.2 mV s–1的扫描速率下Co0.1-Fe2N@C相应的赝电容贡献占比。
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总 结
总之，Co0.1-Fe2N@C纳米颗粒三维蜂窝碳层结构已被用作构建超稳定锂离子电池的负极材料，组装后的LIBs表现出增强的循环稳定性和速率性能。这是因为这种三维蜂窝碳层结构具有更好的电导率，适应体积膨胀，在锂化/去锂化过程中加速电子/离子传输。掺杂钴后，Fe2N的功函数从5.23 eV调整到5.56 eV，功函数值随掺杂量的增加而增大，钴的掺杂可以调节材料的功函数。材料功函数的增加不仅增加了电荷转移，而且增加了材料对锂离子的吸附能，从而提高了负极材料的性能。因此，这项工作为设计和合成新型负极材料提供了一种有前途的方法，用于生产高性能甚至商业化的锂离子电池。
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文 章 链 接
“Tuning Work Function of Fe2N@C Nanosheets by Co Doping for Enhanced Lithium Storage（DOI: 10.1002/smll.202405608）”
https://doi.org/10.1002/smll.202405608
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课 题 组 介 绍
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