武汉理工大学麦立强教授：基于三维钒氧化物水凝胶的高质量负载的高倍率储锂材料

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近日，武汉理工大学麦立强教授和魏湫龙博士（共同通讯）以“Nanoribbons and Nanoscrolls Intertwined Three-Dimensional Vanadium Oxide Hydrogels for High-Rate Lithium Storage at High Mass Loading Level.”为题Nano Energy上发表文章报道了一种新型H2V3O8三维水凝胶结构复合材料。该水凝胶由超薄纳米带和自卷曲纳米卷相互交联组成。当用于锂离子电池正极材料时，电荷储存中电容性贡献大幅提高，表明水凝胶结构对Li+的扩散动力学具有大幅提升作用，从而表现出优异的倍率性能和循环稳定性。进一步基于水凝胶的几何特性，作者引入了碳纳米管（CNTs）组装柔性薄膜，实现了在高质量负载下（13 mg cm-2）的优异储锂性能。

图一  H2V3O8水凝胶及纳米线的合成机理图及形貌表征

a）H2V3O8水凝胶和纳米线的合成机理图；

b,c）纳米线的SEM图像；

d,e）水凝胶的SEM图像。

图二 H2V3O8水凝胶及纳米线的XRD, XPS, N2等温吸脱附曲线

a）水凝胶和纳米线的XRD图谱；

b）水凝胶和纳米线V的2p轨道XPS分析；

c）水凝胶和纳米线的N2等温吸脱附曲线。

图三 H2V3O8水凝胶的TEM，晶体结构分析，水凝胶的结构形成示意图

a）水凝胶的TEM图谱；

b,c）纳米带的HRTEM和SAED图谱；

d）纳米卷的HRTEM图谱；

e）纳米带的AFM图像；

f）水凝胶的结构形成示意图。

图四 H2V3O8水凝胶和纳米线的电化学性能表征

a）0.1 mV s-1扫速下的CV曲线；

b）0.1 A g-1的电流密度下的充放电曲线；

c）倍率性能曲线；

d）1.0 A g-1的电流密度下的循环性能曲线；

图五 柔性H2V3O8水凝胶/CNTs薄膜的制备示意图和表征

a）柔性水凝胶/CNTs薄膜的制备示意图；

b）水凝胶/CNTs复合水凝胶的SEM图

c,d）水凝胶/CNTs薄膜横截面的SEM图；

e）水凝胶/CNTs薄膜的倍率性能；

f）水凝胶/CNTs薄膜在不同的电流密度下的充放电曲线；

g）水凝胶/CNTs薄膜在4.0 A g-1的电流密度下的循环性能曲线；

h）水凝胶/CNTs薄膜的面积比容量vs.面积电流密度曲线

该研究利用普适的液相剥离法（包括Li+, Na+, K+, Mg2+, Mn2+, Cu2+ 和 Fe3+均可用于钒氧化物水凝胶的制备）首次的制备了由纳米带和纳米卷相互交联形成的钒氧化物水凝胶。当用于锂离子电池正极材料时，测试结果表明对Li+的扩散动力学具有大幅提升作用，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。结合其独特的三维结构特性，进一步与CNTs复合制备了无粘结剂的柔性薄膜，大幅提升了材料的电化学性能。即使在高负载下，该薄膜仍具备有优异的储锂性能：当负载量为13 mg cm−2时，其面积比容量高达2.70 mAh cm−2（电流密度为0.91 mA cm−2），同时兼具优异的倍率性能（18.2 mA cm−2的面积电流密度下面积容量为1.16 mAh cm−2）。

这一工作中组装复合水凝胶的方法普适性高，有望拓展至其它超薄材料的合成构筑。此外，本工作实现了钒氧化物电极材料在高质量负载下的优异电化学性能，为实际应用提供了可能。

论文链接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517304809

来源：材料人

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