【摘 要】
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水性锌离子电池因安全性能高,制备工艺简单,环境友好和理论容量卓越等特点成为替代传统的锂电池的最佳选择。但是,合适且性能卓越的正极材料的缺乏是限制其大规模发展应用的根本原因。在本论文中,将以二氧化钒（VO2）在水性锌离子电池中的应用为线索,针对其倍率性能不佳,充放电时由于离子嵌入引发的结构崩塌粉化等问题,通过构建不同的晶型及复合结构,改善它们作为水性锌离子电池正极材料的电化学性能,并详细阐述其储能机
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水性锌离子电池因安全性能高,制备工艺简单,环境友好和理论容量卓越等特点成为替代传统的锂电池的最佳选择。但是,合适且性能卓越的正极材料的缺乏是限制其大规模发展应用的根本原因。在本论文中,将以二氧化钒（VO2）在水性锌离子电池中的应用为线索,针对其倍率性能不佳,充放电时由于离子嵌入引发的结构崩塌粉化等问题,通过构建不同的晶型及复合结构,改善它们作为水性锌离子电池正极材料的电化学性能,并详细阐述其储能机理。首先,通过水热法合成了β-VO2纳米棒,该材料在0.05 Ag-1电流密度下放电比容量可达到325 mAh g-1。但是,在1 Ag-1电流密度下容量仅维持了300次循环。此外倍率性能不佳,在低倍率时比容量快速衰减,在高倍率下容量较低。为了提升VO2的各项电化学指标,我们采用喷雾干燥法制备出具有致密结构的R-VO2微球,并通过在前驱体中添加碳纳米管（CNTs）成功构建具有复合结构的R-VO2/CNTs复合微球。复合结构的构建在R-VO2微球上打开了大量贯穿微球的通道,有效的缩短了离子扩散路径,提高了Zn2+离子扩散率。CNTs的复合同时增加了大量的储能位点,提升了电化学性能。在0.05 Ag-1时R-VO2/CNTs复合微球放电比容量高达335 mAh g-1,这远高于R-VO2微球(280 mAh g-1)。倍率性能同样得到大幅度提升,当电流密度增加至3 Ag-1时,仍保持100mAh g-1。此外,复合结构提供了一种额外的C-O结合键,增加了结构的稳定性,因此在1Ag-1电流密度下循环900圈后仍有30%的容量保持。最后,我们采用喷雾干燥法,通过调控前驱体中偏钒酸铵和CNTs的比例,分别制备出β-VO2/CNTs复合微球和β-VO2/CNTs核壳微球。结果表明,β-VO2/CNTs核壳微球0.05 Ag-1电流密度下,比容量可达到380 mAh g-1。在重复充放电过程中,CNTs壳的弹性收缩与膨胀阻止了β-VO2核的结构崩塌,从而显著降低β-VO2的溶解,提高β-VO2/CNTs管核壳微球的循环稳定性。
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