聚合物对钨掺杂钒氧化物纳米材料结构与电化学性能影响的研究

摘要

层状结构的钒基氧化物低维纳米材料以及聚合物对钒基氧化物插层的纳米复合材料是目前研究得非常广泛的一类正极材料。作为锂电池电极材料，纳米材料由于具有显著的纳米尺寸效应，而纳米复合材料插层聚合物与钒基氧化物在分子水平上相互作用并产生协同效应，从而使它们综合性能得到提高。本文以钨掺杂的V3O7·nH2O纳米带和PANI、PEO分别或共同插层钒钨氧化物的纳米复合材料作为研究对象，利用XRD、TG、IR、SEM、TEM、电池测试系统和循环伏安法等现代测试方法，对上述纳米材料的结构和性能进行了表征与分析。主要的研究内容和结果如下： ㈠采用模板水热法成功合成了长为几个到十几微米、宽和厚分别为200～230nm和70～90 nm并且横截面为矩形的钨掺杂V3O7·nH2O纳米带，其生长方向为[210]。纳米带形貌良好，且转化率高达100％。讨论了模板剂和还原剂等条件对纳米带物相结构和形貌的影响。研究证实了钨元素的成功掺杂，且该纳米带仍然为单相，物相可以用分子式W0.3V2.7O7-σ·0.55H2O来表示。当采用钨掺杂V3O7·nH2O纳米带为电极时，首次放电比容量高达301 mAh/g，明显高于纯的V3O7·nH2O纳米带电极，且循环5次后在接下来的30次循环过程中的容量保持率高达91.2％。另外，该纳米材料在锂离子的嵌入/脱出过程具有良好的可逆性能。通过分析钨掺杂前后所引起的钒基氧化物纳米带的结构和电化学性能之间的变化关系，进一步阐述了钨掺杂的作用机理。 ㈡采用单体预插层法和溶液插层法分别制备PANI、PEO分别或共同插层钒钨氧化物主体材料的三种纳米复合材料。通过对这些纳米复合材料的结构表征和性能测试，探讨了PANI和PEO这两种聚合物分别和共同插层时对钒钨氧化物的结构和电化学性能的影响的不同之处。研究发现，PEO插层对主体材料层间距的影响非常显著，而PANI插层则能够明显影响材料的价键和形貌结构并取代层间水的位置。PANI和PEO共同插层的纳米复合材料和PANI、PEO分别插层钒钨氧化物的两种纳米复合材料的首次放电比容量依次为256、220和193mAh/g，除首次外经过49次充放电循环后的平均容量衰减率分别为0.56、1.26和1.18％。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1锂离子电池材料

1.1.1发展简介

1.1.2正极材料

1.2纳米复合正极材料

1.2.1合成方法

1.2.2研究现状

1.2.3研究领域的前沿问题

1.3研究目的、意义及研究体系

1.3.1目的和意义

1.3.2研究体系

第2章掺钨钒氧化物纳米复合材料制备与表征

2.1实验药品与实验设备

2.1.1实验药品

2.1.2实验设备

2.2掺钨钒氧化物前躯体溶胶制备

2.3掺钨V3O7·nH2O纳米带制备工艺的研究

2.3.1溶胶-凝胶前驱物制备

2.3.2模板剂

2.3.3苯胺的作用

2.3.4最优化工艺

2.4聚合物插层钒钨氧化物纳米复合材料

2.4.1 PANI插层钒钨氧化物纳米复合材料的制备

2.4.2 PANI/PEO插层钒钨氧化物纳米复合材料的制备

2.5结构与性能表征

2.5.1结构分析

2.5.2性能表征

第3章掺钨V3O7·nH2O纳米带结构与性能研究

3.1引言

3.2掺钨V3O7·nH2O纳米带结构研究

3.2.1物相结构分析

3.2.2红外光谱结构分析

3.2.3形貌结构分析

3.3掺钨V3O7·H2O纳米带电化学性能研究

3.3.1电池测试性能

3.3.2循环伏安性能

3.4钨掺杂作用机理分析

3.5小结

第4章聚合物-钒钨氧化物纳米复合材料结构与性能

4.1 PANI-钒钨氧化物纳米复合材料结构研究

4.1.1物相结构分析

4.1.2红外光谱结构分析

4.1.3形貌结构分析

4.2 PANI-钒钨氧化物纳米复合材料性能研究

4.2.1锂电池性能研究

4.2.2循环伏安特性研究

4.3 PANUPEO-钒钨氧化物纳米复合材料结构研究

4.3.1物相结构分析

4.3.2形貌结构分析

4.3.3红外光谱结构分析

4.4 PANI/PEO-钒钨氧化物纳米复合材料性能研究

4.5小结

第5章结论

参考文献

硕士期间发表论文和项目情况

致谢