基于高能量密度V2O5电极材料的多级结构调控与智能化器件的研究

Fabrication of high-performance and multifunctional electrode materials that effectively combined their electrochromic properties with electrochemical energy storage properties is one of the hottest topics and a scientific challenge in new energy materials and smart devices. In this project, a series of synthetic strategies have been developed to synthesize various vanadium pentoxide (V2O5) architectures, which are constructed with different building blocks by controlling the nucleation and growth of V2O5 via external stimulation. High-energy storage performance and quick electrochromic response of V2O5 as smart superapacitor electrodes will be realized. Research contents are as below: (1) A new self-stimulation synthetic strategy for the fabrication of V2O5 with 100% yield at room temperature has been developed, which is different from traditional approaches. Metal salt leads to the oriented re-growth of V2O5 nanocrystals coupling with the phase transition by controlling the V2O5 precursors dissolution and crystal surface energy. (2) A series of vanadium pentoxide with controllable structures and phases will be fabricated by using the same protocol, which offers a new approach for the synthesis of V2O5 with 100% yield. The phase transition, crystals growth along special facets and self-assembly of V2O5 will be well controlled by synergistic stimulations of reaction temperature and pressure. Additionally, the electrochemical energy storage performance of vanadium pentoxide coupling with its stable and reversible electrochromic properties will be studied, and a series of smartly multifunctional energy storage devices will be developed.

如何将纳米材料的电致变色性能与电化学储能性能有机结合，制备高性能、多功能电极材料，是当前能源材料及其器件智能化的研究热点与难点。本项目拟利用外界环境刺激，诱导五氧化二钒的成核与生长，达到五氧化二钒的结构多级化与构筑单元多元化的精确调控合成。实现超级电容器的高储能性能，与快速响应的电致变色智能特性的有机结合。主要包括：（1）金属盐离子强度调控五氧化二钒前驱物的消溶与晶粒表面自由能，实现其纳米晶体的取向性再生长与相转变，形成不同于传统的百分百产出的室温自诱导反应新模式；（2）利用温度和压力场协同刺激，诱导五氧化二钒纳米晶粒的相转变、特定晶面趋向生长与晶体自组装，实现同一种配方不同纳米晶体产出，以及结构多级化的精确调控的百分百高效合成新手段。在此基础上，本项目还将结合五氧化二钒稳定、可逆的电致变色特性与电化学储能性能，开发一系列高性能、功能化、智能型储能器件。

五氧化二钒是一种具有高能量密度和功率密度、含量丰富、易于合成、有广泛应用前景的能源材料。本项目以五氧化二钒为主要研究对象，建立了百分百前驱物投入/产物产出（ 100%“进-出”）的合成新手段，实现了对五氧化二钒纳米晶体的低成本、宏量精确可控合成及自组装，并研究了其在电致变色器件、柔性可拉伸超级电容器、其他功能性电极的应用以及电极回收再利用储能应用研究。目前已获得以下研究成果：（1）提出100%“进-出”法，以商业块状五氧化二钒为原料，室温诱变合成了具有大量暴露（001）晶面的超薄五氧化二钒纳米片，其离子扩散距离大大缩短，电化学活性位点增加。结合碳纳米管阵列材料，利用碳纳米管的交联结构，制备了具有高能量密度、功率密度及长使用寿命的可穿戴线型超容器件。（2）通过温度刺激，由商业化的块状五氧化二钒制备得到五氧化二钒微纳凝胶，直接印刷于柔性基底上形成薄膜，应用于电致变色器件并进行了电致变色性能及柔性测试。（3）利用温度和压力协同刺激，得到了层状介孔结构的五氧化二钒/氧化石墨烯复合材料，实现了同一种策略不同五氧化二钒纳米晶体的可控合成，并研究了五氧化二钒与氧化石墨烯的复合比例对储能性能的影响。该材料经过简单退火处理得到了电化学性能优良的钒酸锂，实现了五氧化二钒微纳材料的循环再利用。（4）通过温度刺激制备了层状五氧化二钒/碳纳米管，将其作为前驱体模板，得到了多孔结构的钠电池电极材料,在钠离子电池中表现出优异的循环稳定性。该研究为具备优异电化学性能的钠离子电极材料的开发提供了新的思路。（5）利用室温凝胶化反应与冷冻干燥技术，制备得到了多级结构的五氧化二钒微纳气凝胶，实现了五氧化二钒的宏量制备及晶体的可控合成与结构演化。通过氮化反应得到高导电性掺杂型氧化钒，展现出了高的比容量和循环寿命，为五氧化二钒及其演化物的多级结构的调控和储能器件多功能化、智能化的研究及其应用提供了方向。该项目为低成本、宏量制备五氧化二钒微纳凝胶及其高效多功能储能器件研究，提供了一种有效策略和研究思路，具有广泛产业化应用前景