中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子電池（LIBs）在能源存儲中占有重要地位，其比容量、充放電速率和循環(huán)壽命亟需進(jìn)一步優(yōu)化。釩氧化物具有高理論容量和豐富的來源，被認(rèn)為是一種很有潛力的LIBs電極材料，然而低電導(dǎo)率和緩慢的反應(yīng)動力學(xué)限制了其廣泛的應(yīng)用。根據(jù)擴(kuò)散動力學(xué)條件，利用納米帶或納米片超薄的幾何特性減小離子擴(kuò)散長度能有效提升鋰離子在反應(yīng)過程中的擴(kuò)散速率。但在實(shí)際應(yīng)用中，一方面普通超薄層狀納米材料的自團(tuán)聚及自堆疊會造成電池的容量損失，并限制電池快速充放電性能的提升；另一方面，在電極材料的質(zhì)量負(fù)載很高時，伴隨以下難題：
（1）離子的輸運(yùn)及電子的傳導(dǎo)路徑增長；（2）細(xì)微的形貌改變可能會造成材料整體結(jié)構(gòu)的破壞；（3）電極材料在涂覆的過程中易從金屬箔片（集流體）剝離。因此，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量負(fù)載下的高性能電極材料充滿挑戰(zhàn)，引起廣泛科研工作的關(guān)注。
【成果簡介】
近日，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授和魏湫龍博士（共同通訊）以“Nanoribbons and Nanoscrolls Intertwined Three-Dimensional Vanadium Oxide Hydrogels for High-Rate Lithium Storage at High Mass Loading Level.”為題Nano Energy上發(fā)表文章報道了一種新型H2V3O8三維水凝膠結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。該水凝膠由超薄納米帶和自卷曲納米卷相互交聯(lián)組成。當(dāng)用于鋰離子電池正極材料時，電荷儲存中電容性貢獻(xiàn)大幅提高，表明水凝膠結(jié)構(gòu)對Li+的擴(kuò)散動力學(xué)具有大幅提升作用，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。進(jìn)一步基于水凝膠的幾何特性，作者引入了碳納米管（CNTs）組裝柔性薄膜，實(shí)現(xiàn)了在高質(zhì)量負(fù)載下（13 mg cm-2）的優(yōu)異儲鋰性能。
【圖文介紹】
圖一 H2V3O8水凝膠及納米線的合成機(jī)理圖及形貌表征
a）H2V3O8水凝膠和納米線的合成機(jī)理圖；
b,c）納米線的SEM圖像；
d,e）水凝膠的SEM圖像。
圖二 H2V3O8水凝膠及納米線的XRD, XPS, N2等溫吸脫附曲線
a）水凝膠和納米線的XRD圖譜；
b）水凝膠和納米線V的2p軌道XPS分析；
c）水凝膠和納米線的N2等溫吸脫附曲線。
圖三 H2V3O8水凝膠的TEM，晶體結(jié)構(gòu)分析，水凝膠的結(jié)構(gòu)形成示意圖
a）水凝膠的TEM圖譜；
b,c）納米帶的HRTEM和SAED圖譜；
d）納米卷的HRTEM圖譜；
e）納米帶的AFM圖像；
f）水凝膠的結(jié)構(gòu)形成示意圖。
圖四 H2V3O8水凝膠和納米線的電化學(xué)性能表征
a）0.1 mV s-1掃速下的CV曲線；
b）0.1 A g-1的電流密度下的充放電曲線；
c）倍率性能曲線；
d）1.0 A g-1的電流密度下的循環(huán)性能曲線；
圖五 柔性H2V3O8水凝膠/CNTs薄膜的制備示意圖和表征
a）柔性水凝膠/CNTs薄膜的制備示意圖；
b）水凝膠/CNTs復(fù)合水凝膠的SEM圖
c,d）水凝膠/CNTs薄膜橫截面的SEM圖；
e）水凝膠/CNTs薄膜的倍率性能；
f）水凝膠/CNTs薄膜在不同的電流密度下的充放電曲線；
g）水凝膠/CNTs薄膜在4.0 A g-1的電流密度下的循環(huán)性能曲線；
h）水凝膠/CNTs薄膜的面積比容量vs.面積電流密度曲線
【小結(jié)】
該研究利用普適的液相剝離法（包括Li+, Na+, K+, Mg2+, Mn2+, Cu2+ 和 Fe3+均可用于釩氧化物水凝膠的制備）首次的制備了由納米帶和納米卷相互交聯(lián)形成的釩氧化物水凝膠。當(dāng)用于鋰離子電池正極材料時，測試結(jié)果表明對Li+的擴(kuò)散動力學(xué)具有大幅提升作用，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)合其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)一步與CNTs復(fù)合制備了無粘結(jié)劑的柔性薄膜，大幅提升了材料的電化學(xué)性能。即使在高負(fù)載下，該薄膜仍具備有優(yōu)異的儲鋰性能：當(dāng)負(fù)載量為13 mg cm?2時，其面積比容量高達(dá)2.70 mAh cm?2（電流密度為0.91 mA cm?2），同時兼具優(yōu)異的倍率性能（18.2 mA cm?2的面積電流密度下面積容量為1.16 mAh cm?2）。
這一工作中組裝復(fù)合水凝膠的方法普適性高，有望拓展至其它超薄材料的合成構(gòu)筑。此外，本工作實(shí)現(xiàn)了釩氧化物電極材料在高質(zhì)量負(fù)載下的優(yōu)異電化學(xué)性能，為實(shí)際應(yīng)用提供了可能。
文獻(xiàn)鏈接：Nanoribbons and Nanoscrolls Intertwined Three-Dimensional Vanadium Oxide Hydrogels for High-Rate Lithium Storage at High Mass Loading Level.( Nano Energy,2017,DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.08.011)
