一维钒氧化物纳米结构的掺杂及电化学性能研究

论文摘要

近年来,一维钒氧化物由于其独特的结构和电化学性质而受到了广泛的关注。目前,钒氧化物的合成及对其掺杂改性的研究成为当今材料研究领域的热点和前沿。本论文主要采用多种方法合成了钒酸银和钒酸铜纳米结构,研究了反应时间、反应温度、反应物的摩尔比等反应参数对产物形貌、晶体结构和充放电性能的影响,主要结果如下:（1）将过氧钒酸溶液和AgNO3溶液混合后,通过简易的水热反应合成出了 Ag0.33V2O5/V2O5核壳纳米带。通过改变实验条件,研究了不同反应条件对产物形貌及晶体结构的影响。随着反应时间延长,产物发生了变化,其形成过程为:在反应的初期生成了 Ag0.33V2O5纳米带,然后V205覆盖在Ag0.33V2O5纳米带的表面生成了 Ag0.33V205/V2O5核壳纳米带。将这种核壳结构作为正极材料用于锂电池中,在电流密度为0.25 A/g下进行充放电测试,得到锂电池的充放电循环性能稳定,经过50个循环后其放电比容量仍能达到276.4 mAh/g左右。提高电流密度分别为0.5 A/g和0.75A/g,其比容量降为228 mAh/g和147.2 mAh/g。Ag+的掺入及纳米结构是材料保持良好电化学性质的原因。Ag0.33V205/V2O5核壳纳米带优异的电化学性能使其成为锂电池正极材料中最具潜力的材料之一。（2）在没有采用任何模板和表面活性剂的情况下,将过氧钒酸溶液和乙酸铜溶液混合水热合成出了超长CuV2O6纳米带。通过改变实验条件,研究了反应时间和双氧水对产物晶体结构和形貌的影响。由反应时间对产物形成的影响可知,产物最初为放射状纳米带组成的Cu3（OH）2V2O7·2H2O针刺状结构,随着反应时间的延长,这种Cu3（OH）2V2O7·2H20针刺状结构沿着[010]方向生长,最终形成超长CuV2O6纳米带。去除双氧水后,产物是由宽且短的CLuV2O6纳米带和一些无规则的颗粒、微米棒组成。将V2O5、H2O2和乙酸铜溶液混合后在室温下陈化12 h,然后水热得到了氧缺失的CuxV2O5·nH2O纳米带。将超长CuV2O6纳米带作为正极材料应用于锂电池中,经充放电和循环伏安测试表明超长CuV2O6纳米带的电化学性能良好。（3）以氧化银和过氧钒酸为反应物,通过改变银钒摩尔比水热合成了不同晶相的钒酸银纳米结构。当银钒摩尔比为1:2、1:1和2:1时,分别得到了Ag2V4O11/V2O5·nH2O纳米带、AgVO3一维纳米带和 AgVO3/Ag4V2O7 纳米带,纳米带的尺寸逐渐增大。在常温下将AgNO3溶液和过氧钒酸溶液陈化48 h得到Ag/Ag2V4O11·H20纳米带。将Ag/Ag2V4O11·H20纳米带在180℃下水热不同时间,得到了Ag2V4O11·H2O纳米带。产物形貌由最初的表面带有小突起的纳米带转变为表面光滑的纳米带,其尺寸也随着时间的延长而不断增大。将Ag/Ag2V4O11·H2O纳纳米带在不同温度下煅烧10h后,得到了钒酸银纳米带。将产物用于锂电池中,不同煅烧温度下（200,300℃,400℃）合成的产物首次放电比容量分别为168.3 mAh/g、231.9 mAh/g、298.7 mAh/g。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 锂离子二次电池
• 1.2.1 锂电池发展背景
• 1.2.2 锂电池的特点
• 1.2.3 锂离子电池正极材料
• 1.2.4 锂电池正极材料的选择
• 1.2.5 锂电池工作原理
• 1.3 主要的正极材料及性能
• 1.3.1 钒基氧化物
• 1.3.2 钒酸银正极材料
• 1.3.3 锂钴氧化物
• 1.3.4 锂镍氧化物
• 1.3.5 锂铁氧化物
• 1.3.6 锂锰氧化物
• 1.3.7 其他正极材料
• 1.4 纳米正极材料的制备方法
• 1.4.1 水热法合成
• 1.4.2 沉淀法合成
• 1.4.3 溶胶-凝胶法合成
• 1.4.4 微乳液法合成
• 1.4.5 气相法合成
• 1.5 锂电池正极材料的应用前景
• 1.6 选题的目的和意义
• 0.33V₂O₅/V₂O₅纳米结构的制备和研究'>第二章 Ag_0.33V₂O₅/V₂O₅纳米结构的制备和研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 化学试剂及来源
• 2.2.2 仪器及设备
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.4 表征
• 2.3 结果与讨论
• 3浓度对Ag_0.33V₂O₅/V₂O₅纳米带的影响'>2.3.1 AgNO₃浓度对Ag_0.33V₂O₅/V₂O₅纳米带的影响
• 3浓度合成产物的XRD表征'>2.3.1.1 不同AgNO₃浓度合成产物的XRD表征
• 3浓度对产物形貌影响'>2.3.1.2 不同AgNO₃浓度对产物形貌影响
• 0.33V₂O₅/V₂O₅核壳结构纳米带的研究'>2.3.2 Ag_0.33V₂O₅/V₂O₅核壳结构纳米带的研究
• 0.33V₂O₅/V₂O₅核壳结构纳米带的结构表征'>2.3.2.1 Ag_0.33V₂O₅/V₂O₅核壳结构纳米带的结构表征
• 0.33V₂O₅/V₂O₅核壳结构纳米带的形貌表征'>2.3.2.2 Ag_0.33V₂O₅/V₂O₅核壳结构纳米带的形貌表征
• 2.3.2.3 反应时间对产物形貌的影响
• 0.33V₂O₅/V₂O₅核壳结构纳米带的充放电性能研究'>2.3.2.4 Ag_0.33V₂O₅/V₂O₅核壳结构纳米带的充放电性能研究
• 2.4 本章小结
• 2O₆纳米带的制备和研究'>第三章 CuV₂O₆纳米带的制备和研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 化学试剂及来源
• 3.2.2 仪器及设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 表征
• 3.3 结果与讨论
• 2O₆纳米带的形貌及结构表征'>3.3.1 CuV₂O₆纳米带的形貌及结构表征
• 2O₆纳米结构的影响'>3.3.2 反应时间对CuV₂O₆纳米结构的影响
• 2O₆纳米结构的影响'>3.3.3 双氧水和陈化对CuV₂O₆纳米结构的影响
• 2O₆超长纳米带的生长机理'>3.3.4 CuV₂O₆超长纳米带的生长机理
• 2O₆超长纳米带的电化学性能研究'>3.3.5 CuV₂O₆超长纳米带的电化学性能研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 钒酸银纳米结构的热处理及电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 化学试剂及来源
• 4.2.2 仪器及设备
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.3.1 水热合成钒酸银纳米结构
• 4.2.3.2 常温合成钒酸银纳米结构及热处理
• 4.2.4 表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 钒酸银纳米结构的晶相调控及形貌表征
• 4.3.2 钒酸银纳米结构的热处理及性能表征
• 4.3.2.1 常温合成钒酸银纳米结构及水热处理
• 4.3.2.2 钒酸银纳米结构的热处理及性能研究
• 4.4 本章小结
• 全文总结
• 今后研究工作的设想
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的文章、专利及参与基金项目