超级电容器用钒基纳米材料制备及其电化学性能研究

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1、超级电容器用钒基纳米材料制备及其电化学性能研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：汪亮指导教师：王雨副教授李鸿乂副教授专业：冶金工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二O一五年五月SynthesisofVanadium-basedNanomaterialsandTheirElectrochemicalPerformanceforSupercapcitorsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegree

2、ofEngineeringByWangLiangSupervisedbyAss.Prof.WangYuAss.Prof.Hong-YiLiSpecialty:MetallurgyEngineeringCollegeofMaterialsScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2015中文摘要摘要钒氧化物及其衍生物以其特殊的开放层状结构和多价态而具有独特的物理化学性能，在储能领域具有巨大的应用潜力。当前，钒基电极材料普遍存在实际容量较低、循环性能和倍率性能不佳等缺陷，严重

3、制约了其商业化的推广。随着纳米技术的日新月异，制备具有特殊形貌、结构和组成，并具有优异电化学性能的钒基纳米电极材料是这一研究领域热点。本文以水热法为基础，通过新型方法的设计和优化，合成了不同形貌不同组成的钒基纳米材料，重点研究了材料的生长机理及其用作超级电容器电极材料的电化学性能。本文的主要研究内容和结果如下：针对钒氧化物普遍存在的导电性能差和结构不稳定等缺陷，提出通过在钒氧++层间掺杂NH4离子，一方面增加材料的导电性；另一方面嵌入的NH4离子扩大层间距的同时也作为层间支柱，从而降低了导电离子扩散阻力和增加了层状结构的稳定性。设计了一种新型的溶胶−

4、凝胶/水热法，合成宽度在200nm～1um、厚度50nm～100nm和长度可达几十微米，分散均匀的超长(NH4)2V6O16∙1.5H2O纳米带，并探究了其生长机理。在1mol/L的硝酸钠电解液中，50mA/g的电流密度下材料比容量可达220F/g以上，然而材料的循环性能仍有待提高，62次恒流充放电循环后的比容量保持率约为50%。针对(NH4)2V6O16∙1.5H2O纳米带存在的循环性能和倍率性能不佳的问题，通过研究发现，材料的形貌易破坏和在水系电解液中的稳定较差可能是电化学性能不佳的原因。设计了一种多元醇水热法合成新型刺球状3维钒基纳米材料，该材

5、料为中心实心周围纳米棒呈放射状分布的核壳结构。该材料的结构稳定性较好，350℃焙烧和制备电极过程中的研磨都对形貌破坏较小。通过XPS分析，材料中的钒为混合价态，在电化学测试过程中发生剧烈的电化学反应，在一定程度上提高了材料的容量。在1mol/L的硝酸钠电解液中，初次测试充电容量达500F/g以上，放电容量达372F/g，但材料仍然存在循环性能较差的缺点，54次恒流充放电循环后放电容量稳定在120F/g，保持率约为33%。对于本文所提出的多元醇水热法，通过对实验参数的微调，能够合成0维至3维不同形貌的纳米材料，通过控制气氛的热处理可转化为相应的钒氧化物

6、，为深入研究和开发新型钒基纳米材料提供了新思路和方法，为超级电容器提供了大量备选电极材料。关键词：超级电容器，(NH4)2V6O16∙1.5H2O，钒基纳米材料，电化学性能I英文摘要ABSTRACTVanadiumoxideandtheirderivativeshavetremendousapplicationpotentialaselectrodematerialinenergystoragefieldowingtotheirspeciallayerstructureandmulti-formofoxidationstates,whichhaveu

7、niquephysicochemicalproperties.Now,thecommonproblemsofthevanadium-basedelectrodematerialsareincludelowrealspecificcapcity,poorcyclingstabilityandratecapability.Withthedevelopmentofnanotechnology,therehasbeengreatinterestinsynthesizingnovelvanadium-basednanomaterialswithspecialm

8、orphology,structureandcomponents.Basedonthehydrotherma