鉬（鈮）基納米復(fù)合電極材料的制備及其電化學(xué)儲(chǔ)能性能研究.pdf

1、隨著人們對(duì)能源需求的不斷增加以及化石燃料的大量消耗所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，尋找和開(kāi)發(fā)能替代化石燃料的可再生清潔新能源已變得迫在眉睫。發(fā)展新型、高效且穩(wěn)定的鋰離子電池和超級(jí)電容器等電化學(xué)能源存儲(chǔ)器件是實(shí)現(xiàn)新能源充分利用和提高能源利用率的重要方式。在眾多影響鋰離子電池和超級(jí)電容器電化學(xué)性能的因素中，電極材料最為關(guān)鍵。因此，開(kāi)發(fā)具有高比容量、高倍率性能、長(zhǎng)循環(huán)壽命以及安全可靠的電極材料是鋰離子電池和超級(jí)電容器未來(lái)研究工作的重中之重。本論文圍繞鉬

2、（鈮）基納米復(fù)合電極材料的設(shè)計(jì)、制備及其電化學(xué)儲(chǔ)能性能展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，主要研究?jī)?nèi)容和成果概述如下：
　?。?）采用化學(xué)氣相沉積和熱蒸發(fā)相結(jié)合的方法制備出具有仙人掌結(jié)構(gòu)的TiC@C/MoO3-x納米復(fù)合物，并對(duì)其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過(guò)表征分析發(fā)現(xiàn)，我們所制備得到的氧化鉬納米線含有一定濃度的氧空位，這在一定程度上改進(jìn)了氧化鉬納米線的電導(dǎo)率。此外，具有高電導(dǎo)率的碳包碳化鈦可以為氧化鉬在電化學(xué)反應(yīng)期間的電子轉(zhuǎn)移提供快速的電

3、子傳輸通道。因此，TiC@C/MoO3-x納米復(fù)合物作為鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出了較好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，在1A/g電流密度下經(jīng)過(guò)500多次充放電循環(huán)后，其放電比容量仍能保持在~500 mAh/g，即使在電流密度高達(dá)10 A/g下，其放電比容量仍能保持在245 mAh/g。
　?。?）采用靜電紡絲和熱處理相結(jié)合的方法制備了碳納米纖維（CNFs）柔性薄膜，以此為載體通過(guò)水熱生長(zhǎng)制備了 CNFs/MoS2納米片柔性復(fù)合薄膜，并詳細(xì)

4、研究了其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能。在這種復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)中，超薄結(jié)構(gòu)的MoS2納米片可以有效地減弱鋰離子脫嵌過(guò)程中的體積變化，相互交錯(cuò)的MoS2納米片形成的納米孔洞結(jié)構(gòu)非常有利于電解液與活性材料的充分接觸，極大地縮短了鋰離子的擴(kuò)散路徑；此外，具有高電導(dǎo)率的CNFs可以為MoS2在電化學(xué)反應(yīng)期間的電子轉(zhuǎn)移提供快速的電子傳輸通道。因此，CNFs/MoS2納米片復(fù)合薄膜作為鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出了較好的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能。在100 mA/g電流密度下經(jīng)過(guò)75

5、次充放電循環(huán)后，其放電比容量為648 mAh/g，當(dāng)電流密度增加到1000 mA/g時(shí)，其可逆比容量仍然高達(dá)511 mAh/g。
　?。?）采取真空抽濾的方法制備了 MoO3/GO自支撐柔性薄膜，然后經(jīng)過(guò)氨氣高溫處理得到了介孔氮化鉬納米帶/rGO自支撐柔性層狀復(fù)合薄膜。在這種復(fù)合膜結(jié)構(gòu)中，由于氮化鉬本身具有類(lèi)金屬的導(dǎo)電性能且rGO也具有較高的電導(dǎo)率，因此介孔氮化鉬納米帶/rGO這種交替堆積和相互連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了電化學(xué)反應(yīng)期間的

6、快速電子轉(zhuǎn)移，同時(shí)，介孔結(jié)構(gòu)的氮化鉬非常有利于電解液與活性材料的充分接觸，大大縮短了離子的傳輸距離，減少了電極表面由于離子濃度差而引起的極化現(xiàn)象，從而保證了電極材料的高倍率性能。此外，氮化鉬的贗電容特性保證了復(fù)合膜電極較高的電容性能。因此，介孔氮化鉬納米帶/rGO復(fù)合薄膜電極表現(xiàn)出了非常好的電容性能?；诮榭椎f納米帶/rGO復(fù)合薄膜組裝的柔性固態(tài)超級(jí)電容器在電流密度為100 mA/cm3下的體積比電容達(dá)到15.4 F/cm3，在功率

7、密度為0.035 W/cm3下的體積能量密度為1.05 mW h/cm3。
　?。?）采用溶劑熱法并通過(guò)高溫退火處理制備了正交相五氧化二鈮介孔納米球（T-Nb2O5 MNSs），然后通過(guò)靜電相互作用和真空抽濾的方法將其與GO進(jìn)行復(fù)合并經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的高溫?zé)崽幚淼玫搅薚-Nb2O5 MNSs/rGO納米復(fù)合物。在這種復(fù)合物中，介孔結(jié)構(gòu)的 T-Nb2O5納米球非常有利于電解液與活性材料的充分接觸，從而有利于鋰離子的快速擴(kuò)散，提高電化學(xué)反應(yīng)

8、動(dòng)力學(xué)；此外，相互交聯(lián)的rGO導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)增加了整個(gè)電極材料的導(dǎo)電性能，有利于電極材料倍率性能的提高。因此， T-Nb2O5 MNSs/rGO納米復(fù)合物表現(xiàn)出了較好的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能。以T-Nb2O5 MNSs/rGO為負(fù)極、介孔碳包覆的rGO（MC/rGO）為正極、1 mol/L的LiPF6（EC:DMC=1:1, V/V）為電解液組裝的鋰離子混合超級(jí)電容器在0.5-3 V的電壓范圍內(nèi)、電流密度為0.05 A/g下的比電容為45.9 F/g