钒氧化物基柔性电极的制备及应用研究

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电子设备具有向柔性化、可穿戴方向发展的趋势,这就要求作为其主要供能设备的电池必须实现柔性化。传统电池由电极、电解液、隔膜组成,其中电极受限于传统的制备方法无法实现柔性,因此急需研制出既具有优异的电化学性能且又能实现弯折的柔性电极。钒氧化物作为过渡金属氧化物中的一员,具有独特的层状结构、高理论比容量以及宽电压窗口的优势。基于以上几点,本文选用钒氧化物作为正极来制备柔性电极,并分别采用具有高导电性的还原氧化石墨烯和碳纤维布作为混合物。主要研究的内容如下:(1)以V2O5与不同配比的氧化石墨烯作为原料制备H2V3O8/还原氧化石墨烯(rGO)柔性电极,观察样品形貌与结构;(2)根据得到的结果分析样品生长机理;(3)采用原位生长法将V2O5与碳纤维布复合制备柔性电极,并控制反应时间,得到不同反应时间下的样品;(4)对不同反应时间的V2O5/碳纤维布(CFC)柔性电极进行形貌与结构分析;(5)对H2V3O8/rGO以及V2O5/CFC电极进行循环伏安、恒流充放电等电化学性能测试,并将H2V3O8/rGO组装成柔性电池,进行弯折状态下的实际应用测试。实验所得到的结果如下:(1)H2V3O8呈现纳米带状,纳米带状交织构成的多孔结构,电极中V5+:V4+的含量接近理论比例(2:1);(2)H2V3O8/rGO经电化学测试结果表明,即使在8.3 mg cm-2的高吸附量下,柔性电极也表现出优异的电化学性能,在0.1 A g-1的电流密度下表现出377 mAh g-1的比放电容量,在功率密度为227 W kg-1时表现出558 Wh kg-1的高比能量密度;(3)柔性H2V3O8/rGO电极在应用于柔性锂离子电池时,弯折170次后开路电压保持稳定,并可释放出172 mAh g-1的放电比容量;(4)氧化石墨烯表面含氧官能团具有还原性,可将V5+还原成V4+;(5)利用原位生长的方法将V2O5均匀生长在碳纤维布表面,不同反应时间下得到了不同形貌的V2O5,1 h、2 h、3 h、4 h水热反应制备的样品比表面积分别为4.9288、3.7252、7.0591、2.9820 m2 g-1;(6)V2O5/CFC电极应用于锂离子电池与锌离子电池进行电化学性能研究,1 h制备的样品电化学性能最为优异,作为锂离子电池正极时,1 h制备的样品在0.1 A g-1的电流密度下,放电比容量为263 mAh g-1,即使在1 A g-1的高电流密度下,放电容量达到了91.1mAh g-1,作为锌离子电池正极时应用时,1 h制备的样品在0.25 A g-1的电流密度下,放电比容量为270 mAh g-1,在1 A g-1的高电流密度下,放电容量达到了51.2 mAh g-1
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