2024年3月23日发(作者：奇甘泽)
V,Mo氧化物纳米阵列的制备及锂电性能研究
过渡金属氧化物材料由于特有的锂离子脱嵌机理和转化机理,理论容量是传
统碳材料理论容量的2-3倍,成为锂离子电池研究的热点。然而,由于氧化物自身
导电性差、体积膨胀系数大、实际容量偏低的缺陷,限制了商品化的进程。
大量的文献研究表明,电极材料的纳米化在很大程度上解决了以上存在的问
题：纳米材料的体积膨胀系数小,Li+的嵌入/脱出不会损坏电极材料的结构,使得
电池保持了较高的循环寿命；纳米材料具有小尺寸效应,能够缩短有效距离,有利
于电子的传输和锂离子的扩散；纳米材料的比表面积大,增加了电极与电解液的
接触面积,在高倍率下依然保持较高电容量。众多类型的纳米材料结构中,纳米阵
列以其独特结构(微/纳结构相结合)在锂离子电池应用中脱颖而出。
作为有序排列的低维纳米阵列,其阵列之间的空隙,能够允许电解液充分地
渗透到阵列的底部,很大程度上减小材料内部的电化学反应产生的界面电阻；每
一个结构单元都与电解液直接接触,都可参与电化学反应,使得电容量较大；电子
可沿着纳米结构直接到达极板,加速了电子传输,在高倍率电池应用中展现出特
有的优势。过渡金属氧化物的纳米阵列应用于锂电电极,有望为开发薄膜锂电池
提供材料基础。
本论文主要的研究内容如下：(1)通过水热法在导电基底Ti片上原位生长
VO2前驱体,经煅烧后得到V205纳米带阵列。纳米带自组装形成泡沫结构,孔径
约2-3μm。
讨论了反应温度和反应酸度对V2O5纳米带阵列的影响。改变调节反应酸度
的酸种类(盐酸、磷酸、冰醋酸和草酸),得到了不同形貌的V205纳米阵列(纳米
棒、纳米片和纳米带)。
通过XRD、SEM、TEM、XPS、 Raman等仪器对不同形貌的产物进行表征,推测
出造成V205纳米阵列形貌的差异主要是由酸的电解能力和氧化还原性质决定的。
将三种不同形貌的V205纳米阵列作为锂电池正极材料,测试其电化学性能。
实验结果表明,盐酸条件下制备的V205纳米棒阵列的初始容量高达
305mAh·g-1,但随后衰减严重；磷酸条件下制备的V205纳米片阵列则倍率特性
好；V205纳米带阵列的循环稳定性好,具有高电容值(255mAh·g-1)。讨论了V205
纳米阵列的结构与其锂电性能之间的关系,发现电性能与材料的比表面积和结晶
度有关。
大比表面积、高结晶度的材料对应高的比容量、好的倍率特性。(2)选用低
价态的V02做为牺牲模板,在pH=1的情况下,水热反应在导电基底Ti片上制备出
直径10nm,长约100nm的多级结构Mo03纳米棒阵列。
其中,纳米棒是垂直于微米级孔的泡沫结构的“墙壁”两侧生长。借助SEM,
XRD、Raman、EDS等表征手段,从热力学角度探讨新型的多级结构Mo03纳米棒阵
列的生长机理。
结果发现,随着V02的溶解,M0042-逐渐质子化,同时在V02表面水解形成
Mo03沉淀。我们将多级结构MoO3纳米棒阵列做为锂电池负极材料,进行电化学
性能测试,结果发现该材料的首次放电容量在633mAh·g-1,但随后衰减很严重。
推测是由于阵列上的纳米棒排列不规则造成的,使得本身导电性不好的
Mo03更是内阻增大。(3)利用碳还原法制备了多级结构MoO2纳米颗粒。
MoO2保留了多级结构Mo03的泡沫构造,其基本单元是由直径在50nm左右的
颗粒构成。测试了多级结构MoO2纳米颗粒的锂电性能。
发现放电容量随循环圈数的增加发生递增。分析该现象后推测在充放电过程
中,对于无序结构的材料存在一个活化的过程。
在电流密度为100mA·g-1进行循环测试,80圈后还保留了611mAh·g-1,体
现了电化学稳定性。(4)利用水热法制备长200nm左右,厚5nm的MoS2纳米片阵
列。
在此基础上,利用转化法氧化MoS2,制备出直径为50nm、宽度约20nm的纳米
颗粒组成的厚500nm的M003薄膜。相比于纳米棒阵列的电性能,M003薄膜在循
环了120圈后,依然保持在650mAh·g-1,并且库仑效率在99.9%以上,有着较高的
比容量和稳定的循环性能。
2024年3月23日发(作者：奇甘泽)
V,Mo氧化物纳米阵列的制备及锂电性能研究
过渡金属氧化物材料由于特有的锂离子脱嵌机理和转化机理,理论容量是传
统碳材料理论容量的2-3倍,成为锂离子电池研究的热点。然而,由于氧化物自身
导电性差、体积膨胀系数大、实际容量偏低的缺陷,限制了商品化的进程。
大量的文献研究表明,电极材料的纳米化在很大程度上解决了以上存在的问
题：纳米材料的体积膨胀系数小,Li+的嵌入/脱出不会损坏电极材料的结构,使得
电池保持了较高的循环寿命；纳米材料具有小尺寸效应,能够缩短有效距离,有利
于电子的传输和锂离子的扩散；纳米材料的比表面积大,增加了电极与电解液的
接触面积,在高倍率下依然保持较高电容量。众多类型的纳米材料结构中,纳米阵
列以其独特结构(微/纳结构相结合)在锂离子电池应用中脱颖而出。
作为有序排列的低维纳米阵列,其阵列之间的空隙,能够允许电解液充分地
渗透到阵列的底部,很大程度上减小材料内部的电化学反应产生的界面电阻；每
一个结构单元都与电解液直接接触,都可参与电化学反应,使得电容量较大；电子
可沿着纳米结构直接到达极板,加速了电子传输,在高倍率电池应用中展现出特
有的优势。过渡金属氧化物的纳米阵列应用于锂电电极,有望为开发薄膜锂电池
提供材料基础。
本论文主要的研究内容如下：(1)通过水热法在导电基底Ti片上原位生长
VO2前驱体,经煅烧后得到V205纳米带阵列。纳米带自组装形成泡沫结构,孔径
约2-3μm。
讨论了反应温度和反应酸度对V2O5纳米带阵列的影响。改变调节反应酸度
的酸种类(盐酸、磷酸、冰醋酸和草酸),得到了不同形貌的V205纳米阵列(纳米
棒、纳米片和纳米带)。
通过XRD、SEM、TEM、XPS、 Raman等仪器对不同形貌的产物进行表征,推测
出造成V205纳米阵列形貌的差异主要是由酸的电解能力和氧化还原性质决定的。
将三种不同形貌的V205纳米阵列作为锂电池正极材料,测试其电化学性能。
实验结果表明,盐酸条件下制备的V205纳米棒阵列的初始容量高达
305mAh·g-1,但随后衰减严重；磷酸条件下制备的V205纳米片阵列则倍率特性
好；V205纳米带阵列的循环稳定性好,具有高电容值(255mAh·g-1)。讨论了V205
纳米阵列的结构与其锂电性能之间的关系,发现电性能与材料的比表面积和结晶
度有关。
大比表面积、高结晶度的材料对应高的比容量、好的倍率特性。(2)选用低
价态的V02做为牺牲模板,在pH=1的情况下,水热反应在导电基底Ti片上制备出
直径10nm,长约100nm的多级结构Mo03纳米棒阵列。
其中,纳米棒是垂直于微米级孔的泡沫结构的“墙壁”两侧生长。借助SEM,
XRD、Raman、EDS等表征手段,从热力学角度探讨新型的多级结构Mo03纳米棒阵
列的生长机理。
结果发现,随着V02的溶解,M0042-逐渐质子化,同时在V02表面水解形成
Mo03沉淀。我们将多级结构MoO3纳米棒阵列做为锂电池负极材料,进行电化学
性能测试,结果发现该材料的首次放电容量在633mAh·g-1,但随后衰减很严重。
推测是由于阵列上的纳米棒排列不规则造成的,使得本身导电性不好的
Mo03更是内阻增大。(3)利用碳还原法制备了多级结构MoO2纳米颗粒。
MoO2保留了多级结构Mo03的泡沫构造,其基本单元是由直径在50nm左右的
颗粒构成。测试了多级结构MoO2纳米颗粒的锂电性能。
发现放电容量随循环圈数的增加发生递增。分析该现象后推测在充放电过程
中,对于无序结构的材料存在一个活化的过程。
在电流密度为100mA·g-1进行循环测试,80圈后还保留了611mAh·g-1,体
现了电化学稳定性。(4)利用水热法制备长200nm左右,厚5nm的MoS2纳米片阵
列。
在此基础上,利用转化法氧化MoS2,制备出直径为50nm、宽度约20nm的纳米
颗粒组成的厚500nm的M003薄膜。相比于纳米棒阵列的电性能,M003薄膜在循
环了120圈后,依然保持在650mAh·g-1,并且库仑效率在99.9%以上,有着较高的
比容量和稳定的循环性能。