方 晶

(南昌航空大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330063)

1 引言

锂离子电池(LIBs)因其具有高的能量密度及环境友好等特点已广泛应用于便携式电子设备[1-5]。近来由于电动车的迫切需求，研究高功率、长循环寿命和高安全性能的LIBs已引起广泛关注。石墨因其高的比容量及廉价已广泛用作LIBs的负极材料[1, 6]。但是石墨低的锂嵌入电位(～0.1 V (vs Li/Li+))使得在负极生成高活性的树枝状金属锂，从而导致LIBs内部短路[7]。此外，石墨低的锂离子扩散系数限制了LIBs的功率密度[1,3,8]。

相比石墨而言，过渡金属氮化物电极材料展现出更高的储锂可逆容量，被视为潜在的电极材料[9-16]。这类材料在存储锂时，不同于商业化的碳材料，采用了置换反应的机制，一个金属离子能够与多个锂发生置换，在放电过程中分解成纳米尺寸的LinN和金属粒子基质，而且随后的充电过程这些纳米尺寸的LinN和金属粒子基质可以重新形成金属氮化物[17]。最近，有许多金属氮化物(如Co3N、Fe3N[9, 10]、Ni3N、CrN[11]、VN[12]、CoN[13]、Sb3N[14])作为锂离子电池负极材料的电化学性质已被报道，其储锂机制均符合传统的置换反应机理。虽然许多三元锂-金属元素-氮Li-M-N(M代表过渡金属元素)像Li3FeN2、和Li3-xCoxN在最初的研究中[15, 16]都发现有嵌脱锂的过程，然而这些氮化物与其他低化合价的金属氮化物，例如：Ni3N和Fe3N(化学价+ 1)，均表现出相对较低的储锂容量[9, 10]。相反，其他金属高价态的金属氮化物如CrN、VN和CoN(化学价+ 3)虽然表现较高的储锂容量，其在电压范围0.01和3.5 V之间储锂容量可达1000 mAh/g以上，但嵌锂过程中体积膨胀的原因造成电极材料展示出较高的不可逆嵌锂容量，同时电极材料的极化、粉化现象严重[11-13]。……