新兴复合氟氧化钒纳米管阴极材料的合成与电化学性能研究

随着经济社会飞速发展，锂电池需求日渐增加，对锂电池性能要求也越来越高。因此，急需研制出高性能锂离子二次电池。锂电池性能强烈依赖于电极材料，特别是阴极材料。纳米结构材料的奇异特性可显著提升锂离子二次电池性能，为先进锂离子电池的研制开辟了一个崭新的领域。本项目创新性的以V2O5粉末、氢氧化锂和氟化铵等为原材料，以长链胺为模板剂，采用溶胶-凝胶和水热合成方法，通过聚吡咯等导电聚合物修饰替换，制备出能量密度高、容量大、寿命长、充放电速度快、重量轻、纳米结构人为可控的新兴复合氟氧化钒纳米管阴极材料；通过复合氟氧化钒纳米管的掺锂、氟代化、聚吡咯等导电聚合物修饰替换模板剂的协同合成机理、纳米管的动态演变及其与阴极特性的关系、锂离子与复合氟氧化钒纳米管相互作用、界面反应、离子传输、储锂机制、比容量衰减机理与抑制方法及原型锂电池性能等研究，为研制和开发高性能锂离子二次电池新兴阴极材料提供实验和理论基础。

本项目采用溶胶凝胶法及水热法合成氧化钒纳米管，并在此基础上进行氟掺杂及氟锂共掺杂，获得了电化学性能提高的氟氧化钒纳米管及锂氟氧化钒纳米管。虽然锂氟共掺杂氧化钒纳米管的电化学性能有了明显改善，但由于有机模版剂的大量存在，限制了锂氟氧化钒纳米管电化学性能的发挥。我们利用铁离子替换技术，有效去除了锂氟氧化钒纳米管中的模版剂，获得了首次放电比容量高，循环稳定性好的锂离子电池阴极材料。在铁离子替换的基础上，我们进一步采用导电聚合物复合，分别合成了电化学稳定性显著改善的聚吡咯复合及聚苯胺复合的锂氟氧化钒纳米管。此外，我们通过控温烧结氧化钒纳米管，制备出了分级结构的V2O5纳米穗。采用十六胺作为中介剂、多壁碳纳米管作为导电网络、氧化钒溶胶为前驱体，成功合成了一体化多孔结构的碳纳米管复合V2O5材料。这两种新型V2O5基纳米阴极材料在100mA/g的电流密度下均表现出400mAh/g以上的首次比容量，经50次循环后的比容量趋于稳定。研究中，我们还探索了锂离子与纳米管状结构相互作用的动力学机制、锂离子传输机理和复合纳米管阴极材料的性能降级机理，并对纳米管结构进行了建模及理论计算。在急需研制出高性能锂离子二次电池的背景下，本项目创新性地研制出了纳米结构人为可控的新兴复合氟氧化钒纳米管阴极材料及V2O5基纳米阴极材料。研究表明，氟代、铁离子替换及导电聚合物的复合能有效的改善氧化钒纳米管的性能，后烧结过程能进一步提高其电化学性能。后续的理论模拟及计算也证明了实验的可行性及可靠性。本项目的研究为先进锂离子电池的研制开辟了一个崭新的领域。在本项目的研究基础上，我们还拓展了WO3多孔纳米球薄膜的制备及其变色热稳定性的研究，并取得了良好的效果。结合本项目的研究，我们发表了10篇高质量的SCI论文，申请了3项专利。负责人吴广明教授在项目执行期间，以第一完成人获得了教育部自然科学奖二等奖，并且在2013年度还获得了国务院政府特殊津贴的奖励。基于本项目的扩展研究部分，我们还申请到了题为“WO3基气致变色薄膜结构可控生长与循环稳定机制研究”的自然科学基金项目。