近日,武漢理工大學麥立強教授和魏湫龍博士(共同通訊)以“Nanoribbons and Nanoscrolls Intertwined Three-Dimensional Vanadium Oxide Hydrogels for High-Rate Lithium Storage at High Mass Loading Level.”為題Nano Energy上發表文章報道了一種新型H2V3O8三維水凝膠結構復合材料。該水凝膠由超薄納米帶和自卷曲納米卷相互交聯組成。當用于鋰離子電池正極材料時,電荷儲存中電容性貢獻大幅提高,表明水凝膠結構對Li+的擴散動力學具有大幅提升作用,從而表現出優異的倍率性能和循環穩定性。進一步基于水凝膠的幾何特性,作者引入了碳納米管(CNTs)組裝柔性薄膜,實現了在高質量負載下(13 mg cm-2)的優異儲鋰性能。
圖一 H2V3O8水凝膠及納米線的合成機理圖及形貌表征
a)H2V3O8水凝膠和納米線的合成機理圖;
b,c)納米線的SEM圖像;
d,e)水凝膠的SEM圖像。
圖二 H2V3O8水凝膠及納米線的XRD, XPS, N2等溫吸脫附曲線
a)水凝膠和納米線的XRD圖譜;
b)水凝膠和納米線V的2p軌道XPS分析;
c)水凝膠和納米線的N2等溫吸脫附曲線。
圖三 H2V3O8水凝膠的TEM,晶體結構分析,水凝膠的結構形成示意圖
a)水凝膠的TEM圖譜;
b,c)納米帶的HRTEM和SAED圖譜;
d)納米卷的HRTEM圖譜;
e)納米帶的AFM圖像;
f)水凝膠的結構形成示意圖。
圖四 H2V3O8水凝膠和納米線的電化學性能表征
a)0.1 mV s-1掃速下的CV曲線;
b)0.1 A g-1的電流密度下的充放電曲線;
c)倍率性能曲線;
d)1.0 A g-1的電流密度下的循環性能曲線;
圖五 柔性H2V3O8水凝膠/CNTs薄膜的制備示意圖和表征
a)柔性水凝膠/CNTs薄膜的制備示意圖;
b)水凝膠/CNTs復合水凝膠的SEM圖
c,d)水凝膠/CNTs薄膜橫截面的SEM圖;
e)水凝膠/CNTs薄膜的倍率性能;
f)水凝膠/CNTs薄膜在不同的電流密度下的充放電曲線;
g)水凝膠/CNTs薄膜在4.0 A g-1的電流密度下的循環性能曲線;
h)水凝膠/CNTs薄膜的面積比容量vs.面積電流密度曲線
該研究利用普適的液相剝離法(包括Li+, Na+, K+, Mg2+, Mn2+, Cu2+ 和 Fe3+均可用于釩氧化物水凝膠的制備)首次的制備了由納米帶和納米卷相互交聯形成的釩氧化物水凝膠。當用于鋰離子電池正極材料時,測試結果表明對Li+的擴散動力學具有大幅提升作用,表現出優異的倍率性能和循環穩定性。結合其獨特的三維結構特性,進一步與CNTs復合制備了無粘結劑的柔性薄膜,大幅提升了材料的電化學性能。即使在高負載下,該薄膜仍具備有優異的儲鋰性能:當負載量為13 mg cm?2時,其面積比容量高達2.70 mAh cm?2(電流密度為0.91 mA cm?2),同時兼具優異的倍率性能(18.2 mA cm?2的面積電流密度下面積容量為1.16 mAh cm?2)。
這一工作中組裝復合水凝膠的方法普適性高,有望拓展至其它超薄材料的合成構筑。此外,本工作實現了釩氧化物電極材料在高質量負載下的優異電化學性能,為實際應用提供了可能。
論文鏈接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517304809
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