水系锌离子电池钒基正极材料制备及其拉曼光谱研究.pdf

摘要

在众多储能装置中，水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性和低

成本而备受关注。然而，二价锌离子(Zn2+)与正极材料晶格之间存在强静电相

互作用，导致Zn2+嵌入/脱出正极材料的动力学过程较为缓慢。因此，正极材

料的选择对发展高性能AZIBs具有重要意义。钒氧化物因其高理论容量(多电子

转移特性)以及开放式结构而受到广泛的关注。但是，钒氧化物较低的导电性、

水系电解液中的钒溶解以及Zn2+反复嵌入/脱出过程中引起的结构破坏等问题导

致其作为AZIBs正极材料的能量密度较低、倍率/循环性能不太理想。此外，

钒氧化物正极的储能机制较为复杂，还需进一步研究其储能机制。本论文以VO

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为研究对象，利用与高导电碳材料复合和层间距调控等组合策略制备高能量密度、

长循环寿命的钒氧化物复合材料，通过多种原位/非原位表征手段研究其储能机

理。主要研究结果如下：

(1)通过水热和热处理工艺制备了正交相VO纳米带。作为水系锌离子电

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池的正极材料，VO纳米带具有优异的储锌性能：当电流密度为0.2Ag-1时，具

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有380mAhg-1的大容量，在5Ag-1的电流密度下，循环1000次后容量保持率为

95%。通过非原位XRD与原位拉曼测试结果表明：VO纳米带正极表现出

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2++

Zn/H共嵌储能机制。

(2)以商业化VO、EDOT单体和膨胀石墨为原材料通过球磨法合成了膨胀

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石墨复合PEDOT插层VO的复合材料（VO/PEDOTEG）。利用PEDOT插

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层进行晶体结构修饰，可以增大VO的层间距并稳定其晶体结构，而与膨胀石

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墨复合能增强VO的导电性。作为水系锌离子电池的正极材料，此电极具有优

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异的电化学性能：在0.2Ag-1的电流密度下具有585mAhg-1的大容量，在30A

g-1的电流密度下具有283mAhg-1的容量。原位拉曼分析揭示了

VO/PEDOTEG正极主要通过Zn2+嵌入/脱出实现能量存储。

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关键词：水系锌离子电池；钒氧化物；正极；复合材料；储能机制

I

Abstract

Amongmanyenergystorageequipments,aqueouszinc-ionbatteries(AZIBs)have

attractedmuchattentionbecauseoftheirhighsafetyandlowcost.However,thestrong

electrostaticinteractionbetweendivalentZn2+andthecrystalstructureofthecathode

materialsresultsinslowdiffusionkinetics.Therefore,thedevelopmentofhigh-

performancecathodematerialsisthekeytorealizeAZIBswithhighenergydensityand

longcyc