過渡金屬釩酸鹽負極材料的設計合成及電化學性能.pdf

1、如今，對于新型可持續(xù)以及環(huán)境友好型能源的需求與日俱增，這成為了一個非常重要并且極富挑戰(zhàn)的課題。在眾多能源存儲技術(shù)當中，可充電式鋰離子電池因其高容量、長壽命、無明顯記憶效應以及環(huán)境友好等優(yōu)點被廣泛應用于各種電子器件當中。然而，對于目前商業(yè)化大多采用的傳統(tǒng)石墨材料而言，其較低的理論比容量（372 mA h g-1）難以滿足高能應用的需求。因此，開發(fā)高容量、高倍率以及長循環(huán)壽命的新型負極材料來代替石墨便顯得尤為重要。過渡金屬氧化物因其質(zhì)量/體

2、積比容量高、廉價和低毒等特點被認為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池電極材料。其中，過渡金屬釩酸鹽因其高比容量、優(yōu)良的離子電導、穩(wěn)定的化學性質(zhì)以及特殊的儲鋰機制逐漸引起學者們的注意。
　　本文以兩種過渡金屬釩酸鹽為研究對象，采用一步水熱法構(gòu)筑焦釩酸鋅納米盤嵌入石墨烯網(wǎng)絡復合材料和釩酸鐵納米棒。采用現(xiàn)代測試手段對所得納米材料進行表征，并將其作為鋰離子電池負極材料進行電化學性能測試，主要研究結(jié)果如下：
　?。?）以硝酸鋅、五氧化二釩

3、和氧化石墨烯等為原料，通過一步水熱法合成焦釩酸鋅納米盤嵌入石墨烯網(wǎng)絡復合材料。對所得樣品進行 X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜、BET比表面積、熱重以及CHNS元素含量分析等表征測試，分析所得產(chǎn)物物相、形貌、結(jié)構(gòu)及組分，并解釋了其形成與生長機制。
　　（2）將焦釩酸鋅納米盤嵌入石墨烯網(wǎng)絡復合材料組裝成電池，在0.01-3.0V電壓區(qū)間內(nèi)對其進行電化學性能測試。結(jié)果表明，相比裸露的焦釩酸鋅納米盤，嵌入石墨烯網(wǎng)絡的

4、焦釩酸鋅納米盤展現(xiàn)出了相對優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性。在500 mA g-1的電流密度下，經(jīng)過400次循環(huán)后，仍有854 mA h g-1的放電比容量，容量保持率高達95％。此外，我們對焦釩酸鋅進行了非原位的XPS表征，提出了其電化學反應機制，并探究了其它因素對活性材料電化學性能的影響。焦釩酸鋅納米盤嵌入石墨烯網(wǎng)絡復合材料中的石墨烯網(wǎng)絡能夠提高材料整體的電導率，同時增強材料的結(jié)構(gòu)完整性。這種設計構(gòu)筑能夠有效地緩解循環(huán)過程中體積膨脹產(chǎn)生的

5、應力作用，防止活性材料粉化。
　　（3）以十二水合硫酸高鐵(III)銨和偏釩酸銨為原料，采取一步水熱法合成釩酸鐵納米棒。將釩酸鐵納米棒作為負極材料組裝成電池，并在0.01-3.0 V的電壓區(qū)間下對其進行電化學性能測試。結(jié)果表明，在500 mA g-1電流密度下，釩酸鐵納米棒初始放電比容量達到1099 mA h g-1，首次庫倫效率為77%，經(jīng)過50次循環(huán)之后，容量剩余534 mA h g-1。采用一步水熱得到的釩酸鐵納米棒電化學性