水热合成五氧化二钒分级结构微球正极材料及其电化学性能

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作为一种新型的储能设备,锂离子电池已经成为便携式电子产品的可再充式电源的主要选择。锂离子电池具有较高的放电电压、能够提供较高的功率和能量密度、体积轻便、能够快速进行充放电等显著优点,已成为电动汽车(EVs)和混合电动汽车(HEVs)主要使用的电池。正极材料是锂离子电池的重要组成部分,也是制约锂离子电池整体性能的重要因素,其成本约占整个电池成本的40%。五氧化二钒(V2O5)具有理论比容量较高、储量广泛且价格便宜等优势,是一种备受关注的锂离子电池正极材料;但是,V2O5具有电导率差、锂离子扩散系数低和在锂离子脱嵌过程中发生塌陷等缺陷,限制了其在电极材料方面的应用。本文以偏钒酸铵(NH4VO3)为钒源,乙二醇和异丙醇为还原剂,聚乙烯吡咯烷酮和葡萄糖为结构导向剂,通过水热反应控制合成了具有多级结构的五氧化二钒纳米材料,该多级结构材料具有更多的嵌锂活性位点,有效改善了电极材料的电化学性能。本文主要工作如下:  以乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮作为还原剂和结构导向剂,利用水热反应控制合成了由介孔单晶纳米棒组装成的五氧化二钒空心多级结构微球,其直径约为3μm,并具有丰富的孔结构。作为锂离子电池正极材料时,表现出优异的电化学性能,在测试电压为2.5-4 V和电流密度为300 mA g-1时,其比电容量高达145 mAhg-1,接近了五氧化二钒的理论容量值(147 mAh g-1);当电流密度升高到15Ag-1时,比电容量仍能保存在101.6mAhg-1;在电流密度为300 mAg-1时,200次循环后的容量保持率达到90%。在测试电压为2-4 V时和电流密度为300 mA g-1时,比电容量达到220mAhg-1。该材料优异的电化学性能主要取决于五氧化二钒的介孔单晶结构以及分级结构之间的协同效应。  以异丙醇和葡萄糖分别作为还原剂和结构导向剂,水热制备了五氧化二钒Yolk-Shell结构微米球。壳层由~20nm厚度的五氧化二钒纳米片组装而成,核颗粒的直径约为800nm,所制备微球的直径约为1μm由于五氧化二钒的独特结构,作为锂离子电池正极材料时,展现出良好的电化学性能:在电流密度为300 mA g-1时,比电容量高达150mAhg-1,在1.5Ag-1较高电流密度下,比电容量达到120 mAh g-1。在1.5Ag-1电流下循环100圈后,容量保持初始容量的85%。当测试电压为2-4V时,当电流密度为300 mA g-1时,比电容量达到260mAh g-1。
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