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五氧化二钒复合材料的制备及其用于水系锌离子电池正极材料的研究

【摘要】:便捷式储能设备对人类来说至关重要,锂离子电池因其具备高能量密度,稳定性好,小巧方便等优点,是目前市场上主流的移动储能设备。然而地球上锂资源极其有限,这导致锂离子电池成本愈来愈高,而且由于锂离子电池本身采用有机电解液,使其在使用过程中极易发生燃烧爆炸。因此人类急需寻找下一代的储能设备来替代锂离子电池。基于上述这种情况,水系锌离子电池(ZIBs)引起了人们广泛的关注。水系锌离子电池具有成本低廉,安全系数高等优点,但是由于Zn2+静电作用大,动力学性能差,因此寻求合适的正极材料是当下急需解决的问题。过渡金属氧化物V2O5具有层间距大,制备工艺简单,成本低廉等优势。在将C2H2O4 ·2H2O与商业化的V2O5搅拌加热进行煅烧处理后,成功的制备出了纳米级片状的V2O5,并且作为ZIBs正极也展现出了不俗的电化学性能。然而由于V2O5作为电极材料其导电性较差,为了解决上述问题,通过将纳米级V2O5与碳黑球磨复合制备成的V2O5/C复合材料,能有效降低了电荷转移阻抗,提高电子导电性。同时V2O5作为层状氧化物,其层与层之间靠范德华力连接,由于这种作用力较弱,使得V2O5晶体结构稳定性较差。基于这种情况,通过水热合成法将K+离子预嵌入V2O5层间空位,并且与邻近的氧离子键合形成稳定的V-O化学键,形成了纳米线形貌的K0.5V2O5。此外经过DFT模拟计算证实了K0.5V2O5正极材料具有更加稳定的晶体结构。同时K0.5V2O5也展现了较为优异的电化学性能。在2 Ag-1的电流密度下其首周放电容量高达268.7 mA h g-1并且在150周循环后其容量仍然保持在了 167.1 mA h g-1。甚至在5 A g-1的打电流密度下,经过3000圈循环,其放电容量也可以保持在140.3 mA h g-1,其容量保持率接近75%。即使与其他类似钒酸钾材料对比,K0.5V2O5展现出的电化学性能也是令人满意的。此外V2O5的电解液耐受性较差,在3M硫酸锌水系电解液中,容易发生溶解,副反应等一系列的界面负效应。为了解决上述问题,通过将NH4F,Al(NO3)3与纳米片状的V2O5加热搅拌,煅烧处理,制备得到AlF3@V2O5复合材料。并且通过SEM,TEM,EDS等一系列表征测试,证实了 AlF3均匀的包覆在了V2O5表面。并且由于AlF3具有较稳定的化学性质,使AlF3@V2O5能够有效抑制溶解以及界面副反应。此外对AlF3@V2O5在0.1 A g-1的电流密度下进行电化学循环测试,其具有高达328.1 mA h g-1的初始放电容量,并且120圈循环后仍然能保持140.5 mA h g-1的放电容量。最后相信在多种方法的改良下,V2O5在水系锌离子电池正极领域具有更加广阔的前景。

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