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氧/硫化钒正极的制备及其储锌机理研究

【摘要】:随着风能、太阳能、潮汐能和地热能等可再生能源的开发利用,迫切需要各种电化学储能装置来满足其发展需求。水系锌离子电池凭借其安全性高、环境友好和锌金属理论比容量高(820 m A h g~(-1)和5855 m A h cm~(-3))的优势而受到广泛关注。与锌负极相比,开发高性能的储锌正极材料尤为迫切。在众多的正极材料中,钒基正极材料因其具有钒价态丰富、晶体结构多样和成本低等优点而倍受研究者青睐。本论文首先以VO_2(B)为研究对象,通过高电位下原位电化学转化和金属-氧键预引入两种策略来提高其储锌性能;接着以VS_4为前驱体,利用其外在吸附氧构筑VS_4/V_2O_3异质结结构,该异质结具有明显增强的电化学储锌性能。具体内容如下:(1)采用溶剂热法制备出长径比约为4.5的VO_2(B)纳米棒。通过对VO_2(B)纳米棒进行不同电压区间内的电化学性能测试,发现电池在大电压区间0.3-1.8 V内具有较好的储锌性能。接着,分别采用X-射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X-射线光电子能谱等表征手段对不同荷电状态下的电极片进行储锌机理研究,结果表明VO_2(B)在大电压区间内的首次充电过程中原位转化生成水合钒酸锌(Zn_3(OH)_2V_2O_7·2H_2O)。转化后的电池在0.1 A g~(-1)时能够提供330 m Ah g~(-1)的储锌容量和具有高倍率性能。(2)尽管VO_2(B)的隧道结构可直接用作锌离子存储活性位点,但强烈的电荷排斥抑制了Zn~(2+)的快速扩散。在W~(6+)(0.06 nm)和V~(4+)(0.058 nm)离子半径相近的条件下,采用钨-氧键预引入策略来调控VO_2(B)的隧道结构,以实现其快速且稳定的锌离子存储。通过控制元素比例合成了具有不同钨-氧键含量的VO_2(B)(0.5 at%、1.5 at%和3at%)。电化学测试结果表明,1.5 at%钨-氧键引入VO_2(B)表现出优异储锌容量(在0.1 A g~(-1)时有265 m Ah g~(-1))、倍率(10 A g~(-1))和循环稳定性(在10 A g~(-1)下,经过2000次循环储锌容量仍达到118 m Ah g~(-1))。此外,结构表征和电化学测试结果表明,钨-氧键引入能够增大VO_2(B)层间距并且稳固隧道结构,这有利于加快锌离子扩散、提高储锌容量和增强循环稳定性。储锌机理研究表明钨-氧键引入的VO_2(B)具有赝电容控制的锌离子可逆嵌入/脱出存储机理。(3)VS_4暴露在空气中其表面会形成纳米深度的吸附氧异质结构层,但这种近表面的异质结构层一般不能提升VS_4的储锌性能。本章以VS_4为前驱体,借助VS_4外在吸附氧通过热处理的方法成功构筑VS_4/V_2O_3异质结结构,另外通过改变热处理条件还制备出V_2O_5和低价硫化钒(V_3S_5)等产物。具有高导电性和化学稳定性的VS_4/V_2O_3异质结能够提高锌离子储存能力,在0.1 A g~(-1)时提供164 m Ah g~(-1)的储锌容量。而且,经过动力学测试分析,证实了VS_4/V_2O_3异质结正极具有锌离子的可逆嵌入/脱出存储机理。

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