玻璃衍生尖晶石ZnFe2 O4 负极材料在半电池和全锂离子电池中的性能研究

为解决锂离子电池（LIBs）负极材料容量衰减快、导电性差等问题，研究人员通过熔融淬火法制备了含B2 O3 的ZnFe2 O4 （ZFO）玻璃陶瓷（ZFOBx）。其中ZFOB20样品因优化的晶体/玻璃相比例，展现出卓越的电化学性能：半电池在1 A g?1 下循环500次后容量达526 mA h g?1 ，全电池容量保持率67%。该研究为高性能LIBs负极设计提供了新思路。

　　

论文解读

锂离子电池（LIBs）作为现代储能技术的核心，其性能瓶颈日益凸显。传统石墨负极理论容量仅372 mA h g^?1
，且锂离子扩散速率低，难以满足高能量密度需求。过渡金属氧化物（TMOs）虽具有高理论容量（如Fe₂
O₃
达1007 mA h g^?1
），却因充放电过程中的体积膨胀和导电性差导致循环寿命骤减。尖晶石型ZnFe₂
O₄
（ZFO）因其多电子反应机制（理论容量1072 mA h g^?1
）和较低电子转移活化能成为研究热点，但如何平衡其高容量与结构稳定性仍是挑战。

为此，山东大学等机构的研究团队创新性地提出通过玻璃陶瓷策略解决这一矛盾。他们采用熔融淬火法一步制备40Fe₂
O₃
-(60-x)ZnO-xB₂
O₃
（ZFOBx）体系，利用B₂
O₃
调控玻璃相组成，使ZFO晶体自发析出并嵌入富硼玻璃基质中。这种独特结构既保留ZFO的高容量特性，又通过玻璃相缓冲体积变化并提升导电性。相关成果发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》。

关键技术方法

研究通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电镜（SEM）观察形貌，差示扫描量热法（DSC）测定玻璃转变温度（T_g
），并采用电化学工作站测试循环伏安（CV）和阻抗谱（EIS）。半电池测试在1 A g^?1
下进行500次循环，全电池以LiCoO₂
为正极评估实际应用潜力。

研究结果

1. 相鉴定、形貌与物理性质
XRD证实所有样品均形成尖晶石ZFO晶体（JCPDS: 73–1963），但B₂
O₃
≥40 mol%时出现Fe₂
O₃
杂相。ZFOB20具有最优的单一相纯度，其玻璃相T_g
随B₂
O₃
增加而升高，但过高B₂
O₃
（如ZFOB50）导致电子电导率下降。SEM显示ZFO晶体均匀分散于连续玻璃基质中，这种结构有利于电荷传输。

2. 电化学性能
ZFOB20在半电池中展现卓越性能：500次循环后容量保持526 mA h g^?1
，远优于纯ZFO材料（通常<300 mA h g^?1
）。全电池测试中，ZFOB20//LiCoO₂
初始容量达148 mA h g^?1
，30次循环后保持67%容量。这种稳定性归因于玻璃相抑制ZFO体积膨胀（<20%）并提供快速电子传导路径。

结论与意义

该研究开创性地将玻璃陶瓷技术应用于ZFO负极制备，通过组分优化（20 mol% B₂
O₃
）实现了晶体-玻璃相的协同效应。ZFOB20材料兼具高容量（接近理论值50%）、长循环稳定性（500次衰减率<10%）和优异倍率性能，为LIBs负极设计提供了新范式。其环境友好、成本低廉的特性更符合规模化生产需求，有望推动下一代高能量密度电池的商业化进程。