【摘 要】
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为实现国家“30·60双碳目标”,未来十年风能、太阳能每年新增规模将超过6700万千瓦。“双碳目标”的提出大力推动了新能源的跨越式发展,但也迎来了不小的挑战,大规模的可再生资源应用对储能装置各方面性能要求更高。锂离子电池是当前最具代表性的储能装置,负极材料的性能将直接影响电池的能量密度、循环稳定性等重要指标。新型嵌入型负极材料Li3VO4（LVO）具有较高的比容量(592 m Ah g-1),工作
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为实现国家“30·60双碳目标”,未来十年风能、太阳能每年新增规模将超过6700万千瓦。“双碳目标”的提出大力推动了新能源的跨越式发展,但也迎来了不小的挑战,大规模的可再生资源应用对储能装置各方面性能要求更高。锂离子电池是当前最具代表性的储能装置,负极材料的性能将直接影响电池的能量密度、循环稳定性等重要指标。新型嵌入型负极材料Li3VO4（LVO）具有较高的比容量(592 m Ah g-1),工作电位适宜,安全性能优异,反应过程中体积变化小,得到了大量科研工作者的关注。但是LVO电子导电性较差,且易吸水特点使其形貌结构难以调控,限制了其实际应用。本文通过静电纺丝法、生物质碳模板法对LVO进行形貌调控,明显提高了材料的电子导电性和电化学性能。具体研究内容如下:通过静电纺丝技术,制备了尺寸均匀的LVO/氮掺杂碳纤维（LVO/NC NFs）。纤维表面有大量纳米薄片,提高了材料的比表面积,为Li+提供了更多的反应活性位点。此外,探究了纺丝电压以及预烧条件对材料形貌及电化学性能的影响。结果表明:在纺丝电压为20 k V、预烧3 h的条件下性能最为优异,将其命名为LVO/NC NFs（20,3-5）。LVO/NC NFs（20,3-5）在0.2、0.5、1.0、2.0、4.0、2.0、1.0、0.5和0.2 A g-1电流密度下,经过两个周期循环后容量可完全恢复。LVO/NC NFs（20,3-5）在0.5 A g-1下循环30圈后,再经过2.0 A g-1大电流下循环至900圈,比容量仍有545 m Ah g-1。基于混合静电纺丝和扩散控制的固态反应的尺寸约束策略,成功合成了具有神经网络结构的LVO/氮掺杂碳纤维（NN-LVO/NC-Fs）。NN-LVO/NC-Fs中,超小LVO粒子均匀嵌在部分石墨化的NC-Fs中,大大提升了Li+扩散速率,提升了电子转移效率。同时,神经网络结构促进了电极的电化学反应的协同作用。所制备的NN-LVO/NC-Fs有出色的赝电容电荷储存贡献和优异的倍率性能。NN-LVO/NC-Fs在0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0、8.0和10.0 A g-1的电流密度下,经过八个周期循环后,放电比容量仍能恢复至763m Ah g-1。NN-LVO/NC-Fs在0.5 A g-1下活化40圈,在2.0、4.0、8.0和10.0 A g-1大电流下,均能保持稳定循环1000次。低成本、可再生、环境友好的香蒲果穗是非常有利用价值的碳源。香蒲果穗具有纤维状的微观结构,与LVO前驱体一起水热,再在氮气下烧结,可得到生物质碳纤维与LVO结合的复合材料,将其命名为LVO/NCFs。复合材料中的LVO和NCFs有大量的缺陷,为Li+存储提供了丰富的活性位点。LVO/NCFs在0.2 A g-1的电流密度下,循环500圈后比容量可保持在774 m Ah g-1。LVO/NCFs在0.2-3.0 A g-1电流密度下进行倍率测试,经过三个周期循环后,容量可完全恢复。
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