钒铌氧化物作为电池负极材料的研究

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在本工作中,两种V2O5-Nb2O5系统中热力学稳定的物质——VNb9O25和V4Nb18O55被通过静电纺丝的方法制备。由于V2O5-Nb2O5系统的物质普遍合成温度高于1000 oC,所以静电纺丝法相比于原合成方法低近一半的合成温度对于此类材料的制备是一个巨大的改进。与传统制备方法得到的结晶性良好的VNb9O25相似的棒状VNb9O25材料在充放电过程中能够在100 mA g-1的电流密度下提供出205.03 mAh g-1的首周可逆容量,在200周的循环过后,能够保持94.22%的容量保持率。而镂空带状的VNb9O25材料的首周可逆容量为更高的220.38 mAh g-1,基本达到了VNb9O25在测试中电压区间的理论容量。循环200周后,镂空带状的VNb9O25材料能够保持95.16%的容量保持率。同时,镂空带状VNb9O25样品即使在1000 mA g-1的电流密度下循环500次,仍然能够保持132.3 mAh g-1的可逆容量,和92.97%的容量保持率。通过原位XRD测试推测VNb9O25的脱嵌锂机理,我们认为铌元素在电化学反应过程中不仅只发生Nb5+到Nb4+的还原,还存在Nb4+到Nb3+的还原,这可以解释VNb9O25晶体结构中每个空位容纳过多的锂离子的原因。根据理论计算,V4Nb18O55在1-3 V(versus Li/Li+)的电压区间内持有的理论容量为271.83 mAh g-1。实际制得的材料中最优的材料在100 mA g-1的电流密度下可以提供251.56mAh g-1的比容量,可以达到理论容量的92.54%。该材料在循环过程中可以稳定保持的可逆容量为236.04 mAh g-1,仍可以达到理论容量的86.83%,仅有10.16%的容量损失。这表明V4Nb18O55作为电极材料具有巨大的潜力。此外V4Nb18O55在1200 mA g-1(约5C)的电流密度下循环1000次后,仍可保持157.73 mAh g-1的可逆比容量。通过分析V4Nb18O55的脱嵌锂机理,我们发现锂离子在材料的晶体结构中是沿三个方向快速传输的。能够解释材料具有优秀倍率性能的原因。
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