摘要
近年来，随着电力能源的不断发展，储能设备需求不断增大。可充电水系锌离子电池(ZIBs)，因锌金属资源的价格相对低廉、储量丰富并且高理论比容量（820mAh g-1）等优势引起了人们的重视。钒基氧化物作为锌离子电池的正极材料，绿色环保、价格低廉，是一种十分理想的正极材料。钒基氧化物中，例如五氧化二钒（V2O5）具有独特的双层结构，能够嵌入/脱出大量锌离子，且具有较高的理论比容量等优点。但V2O5电导率差，使得锌离子在传输过程中产生较强的静电相互作用，导致在正常使用中比容量较低，且V2O5层状结构容易坍塌，因而循环性能较差。 为了提高V2O5的电导率，改善结构的稳定性和循环性能，本文从离子掺杂角度，通过水热法合成了V2O5纳米线，并将V2O5与不同金属元素掺杂（银，镁），适当降低了掺杂含量，对材料形貌和电化学性能进行了对比分析，发现了不同价态和金属性离子掺杂的影响，详细探究了其内部独特的反应机理。并完成了以下工作： （1）本文通过水热合成法制备了V2O5纳米线、V2O5与Ag的复合材料Ag0.3V2O5（AVO）、V2O5与Mg的复合材料Mg0.25V2O5（MVO）。并通过X射线衍射（XRD）、Brunauer Emmett Teller(BET)、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等多种测试横向对比了三种材料的形貌结构和物相关系。通过嵌入Ag或Mg元素增大了V2O5的层间间距，得到了均匀、有序的纳米线，并确定了材料内部元素的种类、相关价态及键合方式。此外，AVO和MVO影响了材料表面的粗糙度，提高了材料比表面积，其中AVO比表面积相对V2O5增加了32.95m2g-1，MVO比表面积相对增加了41.8m2g-1，纳米线结构更加稳定，实现了微观形貌结构的优化。 （2）通过赶膜法制备了V2O5、Ag0.3V2O5（AVO）、Mg0.25V2O5（MVO）正极极片，三氟甲烷磺酸锌(Zn(CF3SO3)2)为电解液，制备了三种不同正极材料的锌离子电池。对三种电池进行循环性能测试，恒电流间歇滴定（GITT）测试，倍率测试，循环伏安（CV）测试、电化学阻抗谱（EIS）测试等，对电池的电化学性能进一步分析。AVO取得了良好的循环性能，在0.10A g?1、0.50A g?1和2.0A g?1下分别取得了340mAh g?1、164.6mAh g?1和135mAh g?1的高比容量，且在2.0A g?1下循环1600圈，容量保持率高达93.75%。MVO电池在0.10A g?1、0.50A g?1和2.0A g?1分别取得了346.6mAh g?1、218.4mAh g?1和165mAh g?1的高比容量；且在2.0A g?1下循环1986圈，容量保持率高达97.2%。AVO和MVO电池的锌离子扩散速率提升数十倍，且电荷转移电阻大幅度降低。AVO和MVO进行了XRD、TEM、HRTEM、XPS等测试对电池内部反应机理进行了探究，在AVO中发现了独特的复合置换和嵌入循环反应（CDI循环），Zn2+和Ag+均参与反应，并生成Zn2(V3O8)2中间相和Ag0单质；在MVO中，是传统的Zn2+嵌入和脱出反应，并生成了Zn2(V3O8)2中间相。不同价态和金属性的离子掺杂对钒基氧化物形貌和电化学性能产生不同的影响，且内部反应机理也会影响材料的相关性能，这为钒基氧化物的优化提供了新思路。
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