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高功率密度和高能量密度是下一代鋰離子電池的追求目標(biāo)。利用贗電容材料儲(chǔ)能不受擴(kuò)散控制這一特性，鋰離子電池有望在快速充放電時(shí)傳遞高容量，從而兼具高能量密度與高功率密度。層狀五氧化二釩具有容量高、資源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在儲(chǔ)能領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。但當(dāng)其進(jìn)行嵌鋰時(shí)，緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和不可逆的相變限制了其在儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用。因此，尋找具有更快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的贗電容嵌入型釩系正極材料對(duì)高能量密度、高功率密度鋰離子電池的開發(fā)具有重要的科學(xué)意義。近來，一些關(guān)于釩酸鹽的研究發(fā)現(xiàn)釩酸鹽具有更好的導(dǎo)電性，更加穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。這些特點(diǎn)使其在鋰離子電池中表現(xiàn)出了更優(yōu)異的性能。其中，鐵基釩酸鹽由于自然含量豐富并且具有多樣的晶體結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是一種非常理想的鋰離子電池電極材料。其中，層狀的釩酸鐵具有非常大的層間距(10.51 Å)，有利于鋰離子的快速脫嵌。

近日，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在Nano Energy(影響因子：12.343)上發(fā)表了題為“Pseudocapacitive Layered Iron VanadateNanosheets Cathode for Ultrahigh-Rate Lithium Ion Storage”的論文，該文通過液相生長的方法獲得了一種存在于天然礦物中的釩酸鐵納米片(Fe5V15O39(OH)9˙9H2O)(FVO-NSs)，將其應(yīng)用于鋰離子電池正極時(shí)獲得了優(yōu)異的電化學(xué)性能。通過與無定型釩酸鐵納米顆粒對(duì)比，晶化的層狀釩酸鐵納米片具有額外的氧化還原峰與更多的存儲(chǔ)位點(diǎn)，展示出350 mAh/g的高比容量。在10A/g的大電流密度下，其仍然傳遞了高達(dá)140 mAh/g的比容量，并且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。研究人員通過不同掃描速度的CV圖，分析了贗電容在FVO-NSs中的貢獻(xiàn)。另外，研究人員還結(jié)合非原位的XPS，XRD等深入分析了其電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

圖1 FVO納米片的晶體結(jié)構(gòu)、形貌表征。a) FVO納米顆粒的SEM圖像;b) FVO納米片的SEM圖像;c) FVO納米片的TEM圖像;d) FVO納米片的HRTEM圖像;e) FVO納米顆粒和FVO納米片的XRD圖譜;f)FVO納米顆粒和FVO納米片的FTIR圖譜

圖2 FVO納米片的儲(chǔ)鋰機(jī)理。a) FVO納米片和納米顆粒的在0.5 mV/s掃速下的循環(huán)伏安圖;b) FVO納米片在1.0 mV/s掃速下的循環(huán)伏安圖;c) FVO納米片在充放電過程中的非原位XRD圖譜及對(duì)應(yīng)的d200值的變化

圖3 FVO納米片以及納米顆粒的儲(chǔ)鋰的動(dòng)力學(xué)分析。a) FVO納米片在不同掃速下的CV圖;b) 非晶的FVO納米顆粒在不同掃速下的CV圖;c) FVO納米片及納米顆粒在0.5 mV/s下的CV圖(陰影部分為電容性貢獻(xiàn));d) FVO納米片及納米顆粒在不同掃速下的容量區(qū)分圖。

圖4 FVO納米片和納米顆粒的儲(chǔ)鋰性能。a) FVO納米片和納米顆粒在0.1 A/g的電流密度下的充放電曲線;b) FVO納米片和納米顆粒的倍率性能;c) FVO納米片與其他性能優(yōu)異的釩基電極倍率性能比較;d) FVO納米片和納米顆粒在10 A/g的電流密度下的循環(huán)性能。

該工作利用簡單的共沉淀方法合成了一種新型釩酸鹽材料并深入研究了其儲(chǔ)鋰機(jī)理。通過非原位XRD的表征，發(fā)現(xiàn)FVO在充放電過程中不會(huì)發(fā)生相變，只有約為1.1%的層間收縮/伸張，這主要得益于FVO納米片較寬的層間距(10.51 Å)可容納大量的鋰離子，同時(shí)提供了較低的嵌入能壘，促進(jìn)了鋰離子的快速贗電容型反應(yīng)。不同掃速下CV的動(dòng)力學(xué)分析，表明FVO納米片中贗電容行為貢獻(xiàn)了70%的容量，因此導(dǎo)致了高比容量與高倍率性能(在0.1, 1 and 20 A g-1的電流密度下分別表現(xiàn)了350，273，90 mAh/g的比容量)。該工作為開發(fā)新一代兼具高能量密度與高功率密度鋰離子電池的研究提供了新的思路，展現(xiàn)了具有贗電容型電極材料的廣闊應(yīng)用前景。

該工作得到國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃(2016YFA0202603)，國家基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2013CB934103)，學(xué)科創(chuàng)新引智基地(B17034)，國家自然科學(xué)基金(51521001)等支持。

QiulongWei (作者), Qinqin Wang, Qidong Li, Qinyou An (共同通訊),Yunlong Zhao, Zhuo Peng, Yalong Jiang, Shuangshuang Tan, Mengyu Yan, LiqiangMai (通訊作者), "Pseudocapacitive Layered Iron Vanadate Nanosheets Cathode for Ultrahigh-Rate Lithium Ion Storage", Nano Energy. DOI:10.1016/j.nanoen.2018.02.028

原標(biāo)題:贗電容型釩酸鐵納米片正極應(yīng)用于高倍率鋰離子電池