吉林大學鄭偉濤教授EEM：無擴散相變實現體相利用贗電容-重塑α-Fe2O3在堿性電解質中的儲能

圖1.?實現電極材料贗電容體相利用的三種主要策略，一是插層贗電容，二是電極材料的納米化，三是該課題組提出的基于無擴散相變的轉化反應。

要點1：實現贗電容體相利用的新途徑即基于無擴散相變的轉化反應，一方面通過電池型的轉化反應實現電極材料的體相利用從而實現高的能量密度，而無擴散相變過程保證了非擴散控制過程、反應速率快以及結構穩定從而實現了較高的功率密度和良好的循環穩定性。

圖2.?NW-Fe₂O₃電極的結構和電化學表征。a）SEM圖像以及相應的EDS圖，b）XRD譜和Raman譜，左上側插入的是晶體結構模型（紅、藍色球分別代表O和Fe），c）HRTEM圖像（分別對藍色和紅色區域做了快速傅里葉變換和反快速傅里葉變換），d-f）分別為NW-Fe₂O₃電極的不同掃速的CV曲線，不同電流密度的GCD曲線以及電勢范圍與循環穩定性的競爭關系曲線。

圖3.?NW-Fe₂O₃電極的轉化反應機制。a）第一圈恒流充放電曲線，插入的是形貌變化示意圖、晶體結構演變示意圖以及充電態d和放電態g的SEM和HRTEM圖像，b）狀態d,e和g的同步輻射XRD，c）狀態b,d和g的X射線吸收近邊結構譜（XANES），d-e）分別為狀態o到g的XPS Fe 2p和O 1s譜，f-g）分別為Fe L3,2和O K邊電子能量損失譜（EELS）。

圖4.?充電過程中狀態a到d的HRTEM圖像。a-a2）電極材料是Fe₂O₃。b-b2）除了Fe₂O₃，觀察到了Fe(OH)₂?和 Fe₃O₄，c-c2）同時在六方納米片和納米線中觀察到Fe(OH)₂，d-d2）除Fe(OH)₂外，觀察到了FeO。

圖5.?放電過程中狀態e到g的HRTEM圖像。e-e2）除了FeO和Fe(OH)₂，還觀察到了Fe₂O₃，f-f2）除了Fe(OH)₂和Fe₂O₃，還觀察到了α-FeOOH，g-g2）Fe(OH)₂?和α-FeOOH共存。

要點2：通過非原位SXRD，TEM，XAS，XPS和EELS確定了充放電過程中Fe₂O₃電極的結構演變過程，即充電產物為Fe(OH)₂，放電產物為α-FeOOH。

圖6.?NW-Fe₂O₃電極的衰減機制。a）第五圈充電態5d和放電態5g的SEM圖像，b-c)?充電態和放電態的HRTEM圖像和相應的FFT圖像，d）狀態5d，5g，10d，10g的XANES，e）所選取典型狀態點的XPS Fe 2p譜，f) Fe(OH)₂?與α-FeOOH之間的擴散相變是導致Fe₂O₃電極衰減的根本原因。

圖7.?無擴散相變提升Fe₂O₃電極的循環穩定性。a) Fe(OH)₂與δ-FeOOH之間的轉化反應能壘，b)通過Fe₂O₃在堿性電解質中的不同反應路徑說明擴散相變和無擴散相變如何決定電極材料的電化學性能。