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钒氧基化合物微纳结构的合成及其在储能领域的应用研究

2020-12-29阅读(151)

钒氧基化合物微纳结构的合成及其在储能领域的应用研究

论文摘要

本论文旨在以钒氧基化合物的结构和性质分析为导向,结合有益的形貌特性,选择合适的手段对其实现可控合成和结构改性,并详细研究所获得产物在水相锂离子电池、超级电容器等储能领域的性能表现,结合各种储能应用的特性,对材料的晶体结构与性能表现的相关性进行初步探讨。这对于进一步实现钒氧基化合物微纳结构以及其它纳米材料在储能领域的规模化应用和性能改善具有重要的借鉴意义。本论文的工作内容主要分为以下几个方面：1.基于许多钒氧基化合物微纳结构材料在水相锂离子电池的循环测试中存在容量衰减这一事实,以目标化合物的结构和性质特性分析为导向,我们通过选择合适的反应试剂,采用低温水热法合成了具有层状结构的CuV2O5单晶纳米带,并将其作为一种新的水相锂离子电池负极材料进行性质研究。我们详细地表征和分析了电极材料在不同充放电状态下的结构,并对比分析了这些结构状态的变化与电解液的pH值的关系,结合样品在不同pH值时的循环性差异,我们发现水合氢离子在充电过程中的共插入是导致CuV2O5纳米带容量衰减的重要原因,进而提出调节优化电解液的pH值是一个有效的改善方法。这一发现对改善所有钒氧基电极材料在水相锂离子电池中的性能表现具有指导意义,同时对末来设计性能更好的水相锂离子电池具有普遍的参考价值。2.具有三维孔道结构的V02(B)是水相锂离子电池的重要负极材料,其容量会因为电极材料溶解等原因而一直衰减,我们通过掺W对V02(B)的水相锂离子电池的循环稳定性进行了改善。我们采用易于得到材料纳米结构的水热法合成了纯V02(B)纳米棒及其掺W后的纳米花球,通过多种结构表征手段,我们分析了掺W后晶体结构和形貌的变化,掺W前后V02(B)的水相锂离子电池测试结果表明：掺W后样品在长期循环过程中的容量保持率得到了很大的提高,这说明掺W是改善V02(B)水相锂电性能的一个有效办法,同时这对改善其他电极材料的性能也有借鉴意义。3.薄片结构有利于超级电容器件的组装和性能表现,我们选用一种特殊的反应试剂,并以石墨烯氧化物薄片作为结构导向模板,在溶剂热的条件下成功制备了V2O5·H20超薄片与石墨烯的复合结构,并详细研究了其在固态柔性超级电容器充放电过程中的性能表现。我们检测分析了所合成产物的结构和形貌,并对合成条件的进行了优化,这样就既得到了最优产物的合成条件,又证实了石墨烯氧化物的模板导向作用,同时验证了提出的反应机理模型。超级电容器测试结果表明,这种材料结构具有优异的柔性超级电容性能表现。这个工作既对其它类似结构材料的合成具有借鉴意义,又扩充了柔性超级电容器电极材料的选择范围。4.一维室温铁磁半导体纳米结构是构建自旋电子纳米器件的理想材料,但是其选择范围一直比较有限,我们采用温和的水热法合成了长度达几百微米的K2V6O16·1.5H2O超长纳米带结构,磁学测量表明这种纳米带具有室温铁磁特性,是一种新的室温铁磁半导体材料。我们利用晶体学的原理揭示了这种纳米带的生长机理,高度各向异性的结构表明这种纳米带在延展方向会具有良好的导电性,理论计算和实验数据分析都证明这种材料中的室温铁磁性来源于合成过程所引入的氧空位缺陷。这个工作既对理解室温铁磁的物理本质原理具有积极意义,又为构筑各种功能性纳米器件增加了原材料。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 钒氧基化合物微纳结构的研究进展
  • 1.2.1 零维钒氧基化合物的研究进展
  • 1.2.2 一维钒氧基化合物的研究进展
  • 1.2.3 二维钒氧基化合物的研究进展
  • 1.2.4 三维钒氧基化合物的研究进展
  • 1.2.5 钒氧基化合物阵列的研究进展
  • 1.3 钒氧基化合物微纳结构在储能领域的应用进展简介
  • 1.3.1 钒氧基化合物微纳结构在水相锂电池中的应用进展
  • 1.3.2 钒氧基化合物微纳结构在超级电容器中的应用简介
  • 1.4 本论文的选题背景和研究内容
  • 参考文献
  • 2O5单晶纳米带的合成及其水相锂电性质研究'>第二章 CuV2O5单晶纳米带的合成及其水相锂电性质研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验部分
  • 2O5纳米带的制备'>2.2.1 CuV2O5纳米带的制备
  • 2O4粉末的合成'>2.2.2 LiMn2O4粉末的合成
  • 2.2.3 产物的表征手段
  • 2.2.4 水相锂电测试方法
  • 2.3 产物的表征
  • 2O4的表征'>2.3.1 正极材料LiMn2O4的表征
  • 2O5纳米带的表征'>2.3.2 水热产物CuV2O5纳米带的表征
  • 2O5纳米带的生长机理'>2.4 CuV2O5纳米带的生长机理
  • 2O5纳米带的电学传输性质'>2.5 CuV2O5纳米带的电学传输性质
  • 2O5纳米带的水相锂电性质'>2.6 CuV2O5纳米带的水相锂电性质
  • 2.7 本章工作小结
  • 参考文献
  • 2（B）的水相锂电性质的改性研究'>第三章 W掺杂对VO2（B）的水相锂电性质的改性研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 2（B）纳米棒的合成'>3.2.1 VO2（B）纳米棒的合成
  • 2（B）的合成'>3.2.2 掺w的VO2（B）的合成
  • 3.2.3 水相锂电测试方法
  • 3.3 产物的表征
  • 3.3.1 水热产物的XRD表征
  • 3.3.2 水热产物的形貌和微结构表征
  • 3.3.3 水热产物的XAFS表征
  • 3.4 产物的水相锂电性质测试
  • 3.5 掺W后循环稳定性提高的原因分析
  • 3.6 本章工作小结
  • 参考文献
  • 2O5·H20超薄片与石墨烯复合结构的合成和固态柔性超级电容性质研究'>第四章 V2O5·H20超薄片与石墨烯复合结构的合成和固态柔性超级电容性质研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 超级电容器的测试原理
  • 4.2.1 循环伏安法
  • 4.2.2 恒电流充放电法
  • 4.3 实验部分
  • 4.3.1 石墨氧化物的合成
  • 2O5·H2O超薄片和石墨烯复合物的合成'>4.3.2 V2O5·H2O超薄片和石墨烯复合物的合成
  • 4.3.3 固态电解质的制备方法
  • 4.3.4 超级电容器件的制作方法
  • 4.4 产物的表征
  • 4.4.1 产物的物相表征
  • 2O5·H2O的晶体结构'>4.4.2 V2O5·H2O的晶体结构
  • 4.4.3 产物的形貌和微观结构表征
  • 4.5 产物的形成机理
  • 4.6 合成条件的优化
  • 4.7 超级电容性质测试
  • 4.8 本章小结
  • 参考文献
  • 2V6O16·1.5H2O超长纳米带的合成及其室温铁磁性的研究'>第五章 K2V6O16·1.5H2O超长纳米带的合成及其室温铁磁性的研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验部分
  • 2V6O16·1.5H20纳米带的制备'>5.2.1 K2V6O16·1.5H20纳米带的制备
  • 5.2.2 产物的表征手段
  • 5.3 产物的表征
  • 5.4 产物的合成机理
  • 2V6O16·1.5H2O纳米带的电学传输性质和带隙'>5.5 K2V6O16·1.5H2O纳米带的电学传输性质和带隙
  • 2V6O16·1.5H2O纳米带的室温铁磁特性及其原因分析'>5.6 K2V6O16·1.5H2O纳米带的室温铁磁特性及其原因分析
  • 5.7 本章小结
  • 参考文献
  • 攻读博士期间的学术成果
  • 致谢

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