水熱法合成CuVO₃碳纖維布三維復(fù)合材料的顯微組織與儲(chǔ)鋰性能

羅文慧 唐艷 梁叔全

摘 要：利用水熱法合成以碳纖維布為基底的CuVO3/CFC三維復(fù)合材料，制備得到的CuVO3物相純度很高，且以垂直于軸向的松針狀形貌均勻致密的包裹在碳纖維上。CuVO3/CFC用作鋰電池電極材料具有高比容量，優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：CuVO3;碳纖維布;電化學(xué)性能;鋰離子電池

近年來(lái)，鋰離子電池已經(jīng)發(fā)展成為最具有實(shí)用價(jià)值的電池體系，特別是在便攜式設(shè)備、汽車(chē)動(dòng)力裝置和大規(guī)模電網(wǎng)等方面的發(fā)展應(yīng)用，極大提高能量的存儲(chǔ)效率。但是，隨著科技發(fā)展，對(duì)鋰離子電池性能的要求也越來(lái)越高。為了滿足這些要求，必須開(kāi)發(fā)具有更好性能的電極材料。

釩酸鹽化合物一般是由釩氧化合物（VxOy）層狀骨架和嵌入的金屬離子構(gòu)成，這種層狀結(jié)構(gòu)有利于充放電過(guò)程中鋰離子的嵌入和脫出。碳纖維布（Carbon Fiber Cloth，CFC）的導(dǎo)電性能非常優(yōu)異，能夠?yàn)長(zhǎng)i+和電子的快速傳輸提供通道，提高電池的比容量。本文采用水熱法制備以碳纖維布為基底的CuVO3/CFC三維復(fù)合材料。該三維結(jié)構(gòu)增加了電解液和電極材料的浸潤(rùn)率，緩解了體積膨脹效應(yīng)，提高了電極的導(dǎo)電率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 三維復(fù)合材料的制備

首先，將0.15M氯化銅溶液與0.1M五氧化二釩溶液混合并浸入CFC。隨后，將其轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯內(nèi)襯中。然后在200℃下水熱24小時(shí)。冷卻后，取出CFC，并在70℃下干燥。最后，將CFC在600℃下氬氣氣流保護(hù)中處理2小時(shí)，即得到CuVO3/CFC三維復(fù)合材料。

1.2 材料的表征

借助X射線衍射分析（XRD）對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)材料的微觀形貌進(jìn)行分析。電池的組裝是在充滿氬氣的手套箱中完成的。按照負(fù)極殼、鋰片、隔膜、三維復(fù)合材料和正極殼的順序組裝得到CR2016型半電池。通過(guò)多通道電池測(cè)試系統(tǒng)和CHI 660E型電化學(xué)工作站上測(cè)試電池的電化學(xué)性能。

2 結(jié)果與討論

如圖所示是CuVO3/CFC復(fù)合材料的XRD圖譜和SEM圖片及電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。如圖（a）所示，在2θ=26°位置處的衍射峰來(lái)自于碳布，圖中其余的衍射峰來(lái)自于CuVO3物相（PDF#24-0383），XRD結(jié)果表明成功制備了CuVO3/CFC復(fù)合材料。[1，2]從圖（b）可以看出CuVO3均勻緊密地包裹在碳纖維上。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)有利于縮短離子的傳輸距離，增加活性反應(yīng)位點(diǎn)，進(jìn)而改善電池的性能。[3]

如圖（c）所示，在首圈循環(huán)伏安測(cè)試中，在0.1V出現(xiàn)的強(qiáng)還原峰，是由于Li+嵌入到碳材料中所引起的。位于0.65V和1.65V（圖（c）插圖）處的兩個(gè)弱還原峰，分別是Cu2+還原到Cu和V4+還原到V3+引起。在0.25V處的氧化峰是由Li+從碳材料中脫出引起的。圖（d）是CuVO3/CFC電極在0.1Ag-1的電流密度下恒流充放電測(cè)試結(jié)果。由圖可知，CuVO3/CFC首次放電比容量為1830mAhg-1，循環(huán)40圈之后比容量為1800mAhg-1，表明了這種材料具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。由倍率性能測(cè)試圖可知（圖（e）），CuVO3/CFC電極具有良好的倍率性能。在0.1，0.2，0.4，1，2Ag-1下各循環(huán)5圈之后，當(dāng)電流密度重新減小為0.1Ag-1時(shí)，比容量再次恢復(fù)到1723mAhg-1。如圖（f）所示，CuVO3/CFC電極在2Ag-1下循環(huán)300圈之后比容量仍保持627mAhg-1。

3 結(jié)論

通過(guò)水熱法制備了以碳纖維布為基底的CuVO3/CFC三維復(fù)合材料，這種材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.1Ag-1下，具有超高的比容量，達(dá)到了1800mAhg-1，在2Ag-1下循環(huán)300圈之后，比容量仍能保持627mAhg-1。此外CuVO3/CFC還具有優(yōu)異的倍率性能，在0.1，0.2，0.4，1和2Ag-1下各循環(huán)5圈之后，當(dāng)電流密度再次減小為100mAg-1時(shí)，比容量再次恢復(fù)到1723mAhg-1。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yu X Y，F(xiàn)eng Y，Jeon Y，et al.Formation of Ni-Co-MoS2 Nanoboxes with Enhanced Electrocatalytic Activity for Hydrogen Evolution[J].Adv Mater，2016，28（40）：9006-9011.

[2]Yu X-Y，Yu L，Lou X W D.Hollow Nanostructures of Molybdenum Sulfides for Electrochemical Energy Storage and Conversion[J].Small Methods，2017，1（1-2）.

[3]Cao X，Pan A，Liu S，et al.Chemical Synthesis of 3D Graphene-Like Cages for Sodium-Ion Batteries Applications[J].Advanced Energy Materials，2017，7（20）.

*通訊作者：唐艷，副教授，博士。