钒氧化合物和钒酸盐嵌锂材料由于成本相对低廉,合成方法简单,比容量高等特点成为了近年来研究的热点。我国钒资源丰富,但是综合利用程度不高,因此开发具有高容量的钒系化合物作为新型锂离子电池嵌锂材料,对优化我国钒资源利用和促进经济发展都具有重要意义。目前,钒系嵌锂材料存在的主要问题是循环性能差,倍率性能不高,限制了其商业化应用。本论文立足于结构相对稳定的三钒酸盐材料,通过新型制备方法的设计与优化,分别获得了高性能的钒酸锂和钒酸钠材料,在此基础上,提出用铵根离子取代层状钒酸锂中的Li+,设计合成了一种具有高比容量和长循环寿命的新型钒酸铵嵌锂材料,重点研究了相关材料的锂离子脱嵌机制。本论文的主要研究工作和结果如下：针对LiV308倍率性能差,容量衰减快的问题,设计了新型的水热—固相烧结两步法,首先通过简单的水热工艺可控合成分散均匀,厚度超薄的(NH4)0.5V205纳米片,然后与LiOH均匀混合低温烧结得到LiV308纳米薄片。纳米片分散均匀,厚度约20-50nm。该材料的倍率性能是目前相关文献结果中最好的。在5C和10C下,放电容量仍保持在148.7和105.8mAhg-1.在300和1000mA g-1前100次循环的容量保持率分别为84.1%和85.3%。材料优异的倍率性能可能归因于其独特的纳米薄片特征。研究了层状钒酸钠的循环稳定性能。采用简易的水热反应一步合成了钒酸钠纳米线,重点考察了结晶水的含量(通过热处理控制)对材料结构、形貌和电化学性能的影响。制备的纳米线尺寸60-100nm,部分长度达5μm。首次放电容量约272mAh g-1。热处理环节虽然会降低材料的容量,但是显著改善了循环性能。300℃热处理的材料在300mA g-1的首次放电容量为189.0mAhg-1。前80次保持率为94.4%。400℃后的材料100次循环没有出现容量衰减。研究表明层间的结晶水会增大层间距离,有利于容量的提高,但是会牺牲材料的循环性能。热处理后的钒酸钠可以作为一种新型具有高循环稳定性能的水溶液锂离子电池阳极材料.采用水热—固相法合成了高倍率的Na1.08V308纳米薄片。纳米片单层厚度小于10nm。中间产物的纳米薄片结构包含了纳米棒向纳米片融合转变的过程,在此基础上,提出了钒酸钠纳米薄片的形成机理。目标材料具有超高的倍率性能和优异的循环稳定性能。30mAg-1下材料的放电容量约220mAhg-1,在600和1000mAg-1下分别为164.1和154.6mAhg1,200次循环后保持在170.5和162.5mAhg-1。在30和50C倍率下容量仍能保持在95和75mAhg-1。该材料的倍率性能要高于迄今所有报道的钒酸盐材料,甚至要比很多经过碳改性处理后的钒酸盐更好,可能归因于其特殊的纳米薄片特征及本身的结构特点。在前面工作的基础上,提出NH4V308作为新型的锂离子电池正极材料,重点考察了合成因素如水热反应时间、溶液pH等对最终产物结构、形貌和电化学性能的影响,研究了NH4+在充放电过程中的行为及锂离子的脱嵌机理。结果表明NH4V308具有较好的锂离子可逆脱嵌能力,NH4+在充电过程中不会脱出。在pH值为4,水热反应24h的条件下制备的片状NH4V308电化学性能最好。该材料在30mA g-1放电容量最高达353.2mAhg-1,对应4个锂离子的插入。在300mAg-’下,100次循环容量保持稳定,600mA g-1下200次循环没有出现容量衰减,体现了优异的循环性能。研究表明材料在大电流下优异的循环稳定性能主要归因于晶体中分子内氢键的形成和分散均匀的片状形貌。不过该材料的倍率性能还有待提高,在300mAg-1下容量已经下降至202.5mAh g-1。针对倍率性能较差的问题,通过一步水热合成法得到NH4V308纳米片／碳纳米管(CNTs)的复合材料,考察了不同CNTs负载量的影响。研究发现,CNTs能在片状NH4V308上形成三维导电网络。CNTs的引入会导致(NH4)0.5V205相的产生。0.5wt%CNTs负载的复合材料体现了最好的电化学性能,在150mA g-1其放电容量为226.2mAh g-1,100次循环容量保持率约97%。而未负载的NH4V308放电容量只有181.5mAhg-1,容量保持率为95.2%。通过水热模板法制备了倍率性大幅提升的NH4V308纳米棒。纳米棒尺寸约30nm,长度小于1μm,其中大部分100nm左右。材料的BET比表面积为15.1m2g-1,是没有模板剂制备的纳米片的3倍多。相比于纳米片材料,制备的纳米棒具有明显改善的锂离子脱嵌平台和电化学性能。先后合成了(NH4)0.5V205纳米带和纳米薄片。纳米带宽50-200nm,长度约几个微米。该材料显示了良好的锂离子脱嵌能力。在15mA g-1下首次放电比容量为225.2mAh g-1。前11次循环,保持在197.5mAh g-1。在150mA g-1下,前100次循环的容量保持率为81.9%,相关电化学性能远超过了文献中报道的结果。通过FT-IR和XRD等手段证实,在首次的充电过程,有部分的NH4+会脱出。在锂离子的脱嵌过程中,材料物相会发生明显改变,但是过程是可逆的。制备的纳米薄片仅仅约单层晶胞厚度(1-1.5nm)。研究发现草酸的加入量对目标材料的电化学性能有较大影响。优化后的材料在0.5C下前200次循环并无容量衰减,体现了非常优异的循环稳定性能。本实验有效解决了文献中该材料循环性能差的问题。具体原因可能归因于其独特的超薄片状形貌和材料内部存在的分子氢键。