摘要
锂离子电池(LIBs)具有平均工作电压高、自放电低、循环寿命长等诸多优点，但由于锂资源短缺和潜在的安全危险，无法满足大规模储能器件的实际需求。水系锌离子电池(ZIBs)因其成本低、安全性高、丰富的天然锌资源等优点，被认为是LIBs的潜在替代者。与其他正极材料相比，钒基材料具有多重氧化态、放电容量高、功率密度高、较长的循环寿命等优点而被认为是有前途的ZIBs正极材料，但缓慢的离子传输和充放电过程中不稳定的相变对其应用构成了巨大的挑战。本文的主要研究内容为： (1)通过简单的溶剂热反应以及随后的高温煅烧合成了V2O3@C微球，以达到增强导电性和改善相变稳定性的目的。通过原位碳化将氧化钒和导电碳复合在一起，使正极材料得到了明显的改善。用V2O3@C正极制备的水系ZIBs在0.2Ag-1时可提供420mAhg-1的高比容量，在21Ag-1时的可逆倍率性能为132mAhg-1，在5Ag-1的条件下循环2000次后，V2O3@C正极具有78%的容量保留。此外，以V2O3@C为正极制备的电池可以输出148Wkg-1功率密度和294Whkg-1的能量密度。与此同时，V2O3和碳的原位复合形成的微观结构，促进了ZnxV2O5-a·nH2O(ZnVOH)的稳定相变。与原始相相比，原位电化学氧化后形成的ZnVOH相提供了更多的Zn2+储存位点。原位合成策略为开发高性能的ZIBs正极材料提供了一条新途径。 (2)利用静电纺丝技术构建了无集流体和无粘合剂的无定形V2O5和碳纳米纤维复合(a-V2O5@CNFs)的自支撑膜。由碳纳米纤维组成的3D导电网络，不仅增强了材料的导电性和结构稳定性，而且有效的抑制了钒的溶解。结果表明，a-V2O5@CNFs正极具有高放电容量，优异的倍率性能以及卓越的长循环稳定性：在1Ag-1下充放电100次后，放电比容量保持在271mAhg-1左右，容量保持率为96.4%。在大电流密度(5Ag-1)下循环5000次后，a-V2O5@CNFs正极仍然能保持219mAhg-1的较高放电容量，库伦效率接近100%，具有87%的容量保持率。在首次循环过程中，无定型的V2O5转化成两个新相，分别为Zn3(OH)2(V2O7)·H2O(ZVOH)和Zn0.24V2O5·0.46H2O，这为设计具有高容量和长循环寿命的钒基水系ZIBs正极材料提供了方向。
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