钒酸铜/导电聚合物同轴纳米电缆的可控制备及电化学性能研究

Layered copper vanadates have received much attention as potential cathode materials for primary and secondary lithium batteries owing to their high theoretical capacities and excellent kinetics. But in practice, copper vanadate cathode materials still have some disadvantages such as low conductivity, fast capacity fading and poor rate capability. In the project, the copper vanadate/conductive polymer coaxial nanocables will be constructed by chemical oxidative polymerization. The conductive polymer shells can not only provide a conducting backbone for copper vanadates, but also can decrease the structure degradation and unwanted reactions during cycling. In addition, the coaxial nanocables can exhibit new properties by the synergistic effects. The Li-ion intercalation mechanism and electrochemical properties of the coaxial nanocables will be investigated in detail．The relationship between their composition, structure, morphology and electrochemical properties will be further studied. This work opens a new route for the performance improvement of rechargeable lithium battery．

层状结构的钒酸铜由于具有较高的理论容量以及良好的动力学性能，在锂一次电池及二次电池中具有潜在的应用价值。实际应用中，由于电导率低以及循环过程中结构变化，导致钒酸铜的循环寿命及倍率性能并不理想。本项目拟通过化学氧化聚合技术将导电聚合物包覆于钒酸铜一维纳米材料表层，构筑起钒酸铜/导电聚合物同轴纳米电缆的新颖结构。利用导电聚合物形成的壳层有效提高钒酸铜材料的导电性能，减小循环过程中钒酸铜材料的结构破坏及副反应的发生，同时结合两种材料间的协同效应，可有效提升钒酸铜材料的循环寿命和倍率性能。将系统研究制备条件对目标材料的包覆结构、组成及导电率的影响关系，明确同轴纳米电缆材料的储锂机理，揭示材料的化学组成、微观结构、异质界面与其电化学性能间的关系，为新型高性能锂离子电池电极材料的设计与开发提供理论基础和实验依据。

本项目针对钒酸铜系列材料用作锂离子电池电极材料存在电导率低以及循环过程中结构变化大的缺陷，提出了采用导电聚合物的壳层结构来抑制钒酸铜的体积膨胀，并改善钒酸铜电极材料的导电性能。项目进行期间，采用化学氧化聚合技术以及简单的“浸渍-烘干”法将导电聚合物包覆于钒酸铜一维纳米材料表层，获得了多种钒酸铜/导电聚合物同轴纳米电缆的复合材料，深入分析了同轴纳米电缆结构的形成机理，并研究了材料的化学组成、微观结构与电化学性能间的关系。电化学性能测试表明：钒酸铜/导电聚合物同轴纳米电缆的复合材料比纯的钒酸铜材料具有更高的放电容量、更好的循环可逆性及倍率性能，钒酸铜与导电聚合物壳层间通过协同作用有效抑制了钒酸铜材料在循环过程中体积的膨胀及结构的破坏，提升了电极结构的稳定性；同时，导电聚合物包覆层有效增加了活性物质间的导电性、保证活性材料间的良好接触并减小了电荷转移电阻。本项目完成了预定的研究内容，达到了预期目标，研究内容为新型锂离子电池电极材料的开发应用提供了科学依据和新的思路。项目进行期间发表相关学术论文18篇, 其中12篇为SCI收录，申报发明专利8项，已获授权3项。