石墨烯/钒氧化物纳米复合材料的界面构筑及性能研究

The design and structure controllable preparation of nanocomposites is a hotspot in material research. The relationship between the nano-interface structure, electron conduction and the ion transport is a key issue in the field of electrochemistry research. This project proposed that the graphene/vanadium oxide nanocomposite storage materials are fabricated by hydrothermal method, sol-gel method and solid phase synthesis method. The composition, structure design, nano-structural control , process and mechanism of preparation and electrochemical mechanism of the composite interface of the graphene /vanadium oxide composites are researched, especially the "graphene and vanadium oxide interface" and "electrochemical interface". The lithium storage mechanism, ion transport and electronic conduction law will be revealed. In further, the graphene surface by surface modification , the surface active sites of the control, interface state controlled build graphene oxide and vanadium, designed with high power density and high capacity retention ratio of the nanocomposite . By studying this project, we can enrich the micro interface control methods of the graphene/vanadium oxide composite materials. Combined with the evaluation of its electrochemical properties, we will further reveal the nanocomposite electrode ion transport mechanism for graphene/vanadium oxide nanocomposite applied as the energy storage materials. The results will provided important theoretical and experimental basis in the application of high-power devices.

纳米复合材料的结构设计与可控制备是材料制备的研究方向，其中纳米界面结构与电子传导、离子传输间的关系是纳米材料领域研究中亟待阐明的关键问题。项目提出通过水热法、溶胶-凝胶法和固相合成法等制备出石墨烯/钒氧化物纳米复合储能材料。研究石墨烯/钒氧化物复合材料的组分与结构设计、纳米结构调控、制备过程与机理及其该复合界面中的电化学机理，特别是"石墨烯与钒氧化物界面"和"电化学性能"关系，揭示纳米复合材料中的储锂机制、离子输运与电子传导规律。另外，通过对石墨烯表面进行表面修饰，控制其表面活性位点，可控构筑石墨烯与钒氧化物的界面状态，设计出具有高功率密度和高容量保持率的纳米复合材料。通过本项目的研究，可以丰富石墨烯/钒氧化物复合材料的微观界面调控方法，结合其电化学性能的评价，将进一步揭示纳米复合电极中离子输运机理，为石墨烯/钒氧化物纳米复合储能材料在大功率器件中的应用提供重要的理论和实验依据。

本项目的研究包括三部分：一是围绕电池和超级电容的容量以及循环稳定性提升，对钒氧化物负极材料进行了改性研究；二是对磷酸铁锂正极材料的电池性能进一步优化进行了实验和理论验证；三是在对交联聚苯乙烯材料的闪络性能进行了研究。.获得以下主要结果：.一、制备了V3O7•H2O /石墨烯和V3O7•H2O /CNTs复合材料。V3O7•H2O/石墨烯作锂离子电池正极材料。电流密度为100 mA/g时，首次放电比容量为243.6mAh/g，第100次循环的放电比容量为212.6mAh/g，容量保有率为87.3%；电流密度为800 mA/g时，首次放电比容量为179.2mAh/g，第100次循环的放电比容量162.3mAh/g，容量保有率为90.6%。石墨烯提高了V3O7•H2O的导电率，石墨烯含量越多，电荷转移电阻越小。作为超级电容器电极材料，Na2SO4水溶液作为电解液，电流密度为200 mA/g时，其放电比电容分别为134 F/g。而V3O7•H2O/CNTs复合材料在1 M LiClO4/PC电解液中，扫描速率为1 mV/s时，体积比容量达到了111.9 F/cm3。.采用溶胶凝胶和冷冻干燥制备了MoxV2-xO5+y和NixV2O5+y纳米材料。400 mA/g电流密度下，Mo0.04V1.96O5+y初始放电比容量为223.8mAh/g，50次循环后容量保持率为64.91%； Ni0.04V2O5+y首次放电比容量为225.6mAh/g，50次循环后容量保持率为71.2%。.二、磷酸铁锂正极材料中，Li+在ac晶面择优取向的LiFePO4纳米颗粒中具有更高的嵌锂动力学。不同充放电深度磷酸铁锂电极经历的相转变路径不同。揭示了低倍率充放电的不对称特性。磷酸铁锂以10C倍率充放电，场强达到新相出现的临界。当电流密度小于2C时，大部分颗粒几乎同时发生相变且在单颗粒中LiFePO4和FePO4两相并存；当电流密度大于2C时，LiFePO4单颗粒中形成连续扩散的界面，在单个颗粒中存在不稳定的中间相成分，当在电流密度高于10C时，在过电势梯度分布的电极中出现稳定且可逆的固溶相组分(组成为LixFePO4)，此时相分离被抑制，电极材料经历单相转变，进一步揭示了固溶相的存在是磷酸铁锂具有高倍率性能的原因。.三、采用CF4等离子体表面改性和导电微带技术增强了交联聚苯乙烯的闪络特性。