目前,锂离子电池在中小型储能器件上实现了规模化应用,而在能量/功率密度和循环寿命方面难以满足大型动力蓄电的要求。V₂O₅因比容量高、安全性好被认为是最具前景的电极材料之一,但其性能受限于较低的电子电导性和离子扩散率,加上块体材料电化学活性小,使其循环性能欠佳。本文针对V₂O₅合成和改性等存在的问题,主要围绕可控制备V₂O₅微纳米材料展开,目的是使其高能量/功率密度得以发挥,同时也为高性能锂离子电池电极材料的开发与利用提供指导。首先,设计了廉价、可靠的静电纺丝新工艺,制备了分级结构一维V₂O₅纳米纤维。研究表明,该材料具有优异的倍率容量和循环稳定性,其在0.8 A/g电流密度下,经100圈循环后放电比容量为133.9 mAh/g,容量保持率高达96.05%,而其优越的性能主要归因于改善的电子传输特性、缩短的离子扩散迁移路径以及增加的电极/电解液接触面积;同时,分级的纳米片结构能有效缓解应力。动力学研究揭示了提升V₂O₅材料电化学性能的有效途径。其次,利用商用V₂O₅和柠檬酸为原料,NH4F为结构导向剂,开发了溶剂热新体系制得了二维V₂O₅纳米片。经测试纳米片正极性能优异,其首次放电比容量高达291.7mAh/g,且电极在1.5 A/g电流密度下,经200次循环后容量为139 m Ah/g,容量保持率高达94%。上述性能可归因于二维的薄片结构缩短了离子扩散迁移路径,且材料存在的孔隙度增加了电极/电解液接触面积。动力学研究显示二维片状V₂O₅纳米材料表现出快速的锂离子扩散迁移能力和改善的电极反应动力学。再次,基于原位包覆技术,首次提出并实现了褶皱石墨烯保型封装三维V₂O₅。研究表明,石墨烯保型包覆极大地提升了复合材料用作锂离子电池正极的能量和功率密度,且性能的提升归因于电子电导率的增加、结构稳定性的提升以及电荷转移电阻的降低。而形成机理的研究指出,对材料实现封装包覆的方法具有普适性和通用性,这为构筑新型石墨烯基功能材料提供了捷径。最后,针对V₂O₅负极锂化机理仍不明确,设计了无模板溶剂热新体系用于合成三维多孔的空心V₂O₅微球,以提高其用作锂离子电池负极的电化学反应活性、倍率性和循环性。锂化机理的研究表明,V₂O₅负极以脱嵌锂反应机理为主,其仅在首次放电时发生一个不可逆转化反应生成LiVO2,而其稳定的充放电过程仅与锂离子可逆地嵌脱进出LixVO2中有关,且理论比容量为588 mAh/g。此外,动力学研究首次揭示了电极存在活化过程的典型标志就是本体电阻的出现及其有规律地减小以至消失。值得注意的是,V₂O₅负极锂化机理的提出为阐明其它钒氧化物储锂、储钠机理提供了借鉴。