钒氧化物/聚噻吩超长同轴纳米电缆的阵列构筑及脱嵌锂性能

探索研究基于新型有序纳米异质结构的高容量、微型化、高功率、低成本锂离子电池是当前低碳经济时代锂离子电池研究的前沿和热点之一。本申请基于材料设计，结合微波辅助流变相反应与静电纺丝技术构筑长度在毫米或厘米量级的钒氧化物/聚噻吩超长同轴纳米电缆阵列，设计不需引入导电添加剂和粘接剂并与集流体形成良好电接触的纳米电缆单层膜电极，组装新型纳米阵列锂离子电池。表征产物的物相、形貌、界面结构、元素化学环境、光谱特征等，原位测试纳米阵列的电导率与本征电化学性能。研究材料结构、电子空穴掺杂、小极化子分布、协同效应、异质界面与锂离子扩散、电子传输、电化学极化、充放电、循环可逆性等的相互关系，揭示载流子传输与容量衰减的内在本质。通过材料的可控生长、有序构筑、均匀掺杂、性能调控、异质构建等提高该体系的脱嵌锂性能，并采用遗传算法对结果进行优化，为新型纳米阵列锂离子电池及自驱动纳米系统的探索与开发奠定科学基础。

钒氧化物由于具有独特的层状结构而具有很高的比容量，但受制于比较差的电导率，导致其在大电流密度下电化学性能差。项目负责人通过使用V2O5纳米线作为基体，结合原位氧化聚合以及氧化还原交换反应，设计构筑了V2O5/PEDOT&MnO2同轴纳米线，相比于原始V2O5纳米线每次循环衰减率减少了一个数量级。使用类似方法，结合聚苯胺与AgVO3的界面氧化反应，制备了AgVO3/PANI三同轴结构，20次循环后容量保持率超过AgVO3纳米线50%。聚合物包覆可以有效提高材料电导率，使锂离子嵌入脱出更加快捷，减小充放电过程中对电极材料的破坏，提升材料循环稳定性。基于纳米线/导电聚合物同轴纳米线构筑的思路，项目负责人还构筑了多种分级结构改善储能器件性能。利用微乳液法制备钼酸锰/钼酸钴分级异质纳米线，电容远高于单一纳米线电极；在同质分级结构构筑方面，基于由纳米短棒搭接形成纳米线的思路，使用类似的微乳液方法合成了镧锶钴氧分级介孔纳米线，作为电催化剂组装锂空气电池，得到超过11000 mAh/g的超高比容量。利用静电纺丝法构筑了超长分级钒氧化物纳米线，循环50次后容量超过钒氧化物纳米棒电极40%以上。此外，项目负责人使用离子嵌入方法，制备NaxMnO2纳米片材料可获得接近1100 F/g容量，利用拓扑取代原理，由H2V3O8纳米线制备LiV3O8超长纳米线，在2A/g电流密度下600次循环容量几乎无衰减。同时，项目负责人利用多种协同效应改善电极材料性能，合成了钒氧化物/石墨烯半中空结构同轴纳米线、VO2纳米卷自缓冲材料、MoO2/Co(OH)2纳米片分级材料、富含官能团的多孔碳微球等多种电极材料，并成功组装了长循环寿命锂离子电池与高能量密度电容器。项目成果为锂离子电池、超级电容器、锂空气电池电极材料研究开发与器件组装提供了科学依据。