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作为典型的层状金属氧化物,钒氧化物纳米材料体系因其多种氧化态和配位多面体的存在使其拥有能嵌入金属离子的开放结构而备受重视,并被视为有潜力的锂离子电池材料而得到了长远的发展。锂钒氧在保持钒氧化物层状结构的同时,其层间的锂离子通过离子键与上下V3O8层相互作用使其在循环过程中保持了稳定的结构。而一维纳米材料具有大的长径比、高的比表面积以及径向的电子限域效应和轴向的电子传输特性,作为电极材料时与电解液接触而积大、锂离子脱嵌距离短,能有效提高电极材料的电活性。因此,开展一维锂钒氧纳米电极材料的研究是新能源技术和纳米技术的交叉与前沿。
本文采用H2V3O8为前躯体纳米线,通过拓扑嵌入制备了LiV3O8一维纳米材料。研究了烧结温度对样品结构和形貌的影响,并对其电化学性能(锂离子电池、水溶液锂离子电池)进行了测试,通过性能对比探索材料结构与电化学性能之间的内在规律。主要研究成果如下:
通过水热法制备了H2V3O8超长簇状纳米线材料,利用H2V3O8与LiV3O8结构相似的特点,以LiOH·H2O为锂源、H2V3O8纳米线为前躯体纳米线进行拓扑嵌入得到LiV3O8超长纳米线。以制备的LiV3O8超长纳米线作为正极活性材料组装锂离子电池。采用恒流充放电、循环伏安等方法研究了所制备LiV3O8超长纳米线的充放电容量、电化学循环可逆性、锂离子扩散等电化学性能。将通过在不同温度下进行拓扑嵌入所得到的LiV3O8超长纳米线进行比较发现450℃下的煅烧产物表现出最优异的电化学性能。在2000mA/g的电流密度下,450℃样品在循环600次后放电容量仍然达到120.1 mAh/g,每次容量衰减率仅为0.022％。该结果表明通过拓扑嵌入所制备的样品具有优异的大倍率充放电性能。
水溶液锂离子电池因其成本较低、安全性能好、功率密度高等优势而引起人们广泛关注。钒氧化物是最早被应用于水溶液锂离子电池的负极材料。将所制备的LiV3O8超长纳米线作为活性材料,以三电极法测试材料在不同水溶液电解液中的充放电比容量、循环稳定性和倍率特性,比较不同电解液对水溶液锂离子电池性能的影响,从而确定与LiV3O8电极材料更匹配的电解液。