武漢理工麥立強：高質量負載的高倍率儲鋰材料

鋰離子電池（LIBs）在能源存儲中占有重要地位，其比容量、充放電速率和循環壽命亟需進一步優化。釩氧化物具有高理論容量和豐富的來源，被認為是一種很有潛力的LIBs電極材料，然而低電導率和緩慢的反應動力學限制了其廣泛的應用。根據擴散動力學條件，利用納米帶或納米片超薄的幾何特性減小離子擴散長度能有效提升鋰離子在反應過程中的擴散速率。但在實際應用中，一方面普通超薄層狀納米材料的自團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，在電極材料的質量負載很高時，伴隨以下難題：

（1）離子的輸運及電子的傳導路徑上升；（2）細微的形貌改變可能會造成材料整體結構的破壞；（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，實現高質量負載下的高性能電極材料充滿挑戰，引起廣泛科研工作的關注。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學麥立強教授和魏湫龍博士（共同通訊）以“NanoribbonsandNanoscrollsIntertwinedThree-DimensionalVanadiumOxideHydrogelsforHigh-RateLithiumStorageatHighMassLoadingLevel.”為題NanoEnergy上發表文章報道了一種新型H2V3O8三維水凝膠結構復合材料。該水凝膠由超薄納米帶和自卷曲納米卷相互交聯組成。當用于鋰離子電池正極材料時，電荷儲存中電容性貢獻大幅提高，表明水凝膠結構對Li+的擴散動力學具有大幅提升用途，從而表現出優異的倍率性能和循環穩定性。進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，實現了在高質量負載下（13mgcm-2）的優異儲鋰性能。

【圖文介紹】

圖一H2V3O8水凝膠及納米線的合成機理圖及形貌表征

a）H2V3O8水凝膠和納米線的合成機理圖；

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，晶體結構分析，水凝膠的結構形成示意圖

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）水凝膠的結構形成示意圖。

圖四H2V3O8水凝膠和納米線的電化學性能表征

a）0.1mVs-1掃速下的CV曲線；

b）0.1Ag-1的電流密度下的充放電曲線；

c）倍率性能曲線；

d）1.0Ag-1的電流密度下的循環性能曲線；

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4.0Ag-1的電流密度下的循環性能曲線；

h）水凝膠/CNTs薄膜的面積比容量vs.面積電流密度曲線

【小結】

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形成的釩氧化物水凝膠。當用于鋰離子電池正極材料時，測試結果表明對Li+的擴散動力學具有大幅提升用途，表現出優異的倍率性能和循環穩定性。結合其獨特的三維結構特性，進一步與CNTs復合制備了無粘結劑的柔性薄膜，大幅提升了材料的電化學性能。即使在高負載下，該薄膜仍具備有優異的儲鋰性能：當負載量為13mgcm？2時，其面積比容量高達2.70mAhcm？2（電流密度為0.91mAcm？2），同時兼具優異的倍率性能（18.2mAcm？2的面積電流密度下面積容量為1.16mAhcm？2）。

這一工作中組裝復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筑。此外，本工作實現了釩氧化物電極材料在高質量負載下的優異電化學性能，為實際應用供應了可能。

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