ZnCo2V2O7（OH）2?2H2O高容量鋰離子電池負(fù)極材料的設(shè)計(jì)

祝靈澤 劉軍

摘 要： 為了滿足電子電器市場(chǎng)對(duì)高容量鋰離子電池的需求，本工作通過自模板法利用水熱反應(yīng)和陰離子交換反應(yīng)制備ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O納米片材料。該材料具有獨(dú)特的納米片形貌和優(yōu)異的電化學(xué)性能，可應(yīng)用于高容量鋰離子電池負(fù)極。

關(guān)鍵詞： 過渡金屬釩酸鹽;鋰離子電池;負(fù)極材料

本工作基于雙過渡金屬元素協(xié)同效應(yīng)設(shè)計(jì)制備雙過渡金屬釩酸鹽負(fù)極材料。制備產(chǎn)物被證明是ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O納米片負(fù)極材料，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，如在200mAg-1電流密度下比容量不僅高達(dá)1165.4 mAhg-1，并且在循環(huán)200圈后更是增加至1208.7 mAhg-1。本工作證明ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O極有潛力應(yīng)用于高容量鋰離子電池負(fù)極材料。

1 實(shí)驗(yàn)

將硝酸鈷、硝酸鋅、氟化銨和尿素以物質(zhì)的量比為2∶1∶2∶5 稱取并混合，加入35ml去離子水溶解。將透明澄清的溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中密封，并放置在120攝氏度條件下保溫6h后自然冷卻。過濾后得到粉色粉末，置于干燥箱中徹夜干燥。取500mg偏釩酸鈉溶解于去離子水中，后加入200mg干燥后的粉色粉末，轉(zhuǎn)移到密封反應(yīng)釜中水熱150攝氏度48h。過濾后干燥得到黃色粉末即為最終產(chǎn)物。

將所得產(chǎn)物進(jìn)行XRD表征確定物相。利用SEM掃描電鏡對(duì)材料的形貌進(jìn)行表征。組裝成2016紐扣電池進(jìn)行倍率性能測(cè)試和循環(huán)充放電測(cè)試。

2 結(jié)果

本工作成功制備了ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O負(fù)極材料。將最終產(chǎn)物進(jìn)行XRD表征，如圖a所示，該產(chǎn)物的衍射峰與Zn3V2O7（OH）2·2H2O（JCPDS No.87-0417）物相的特征峰一一對(duì)應(yīng)，所以可確定所得材料為ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O。而前驅(qū)體和最終產(chǎn)物的SEM圖顯示（圖b和c），前驅(qū)體材料為六邊形納米片形貌，材料表面光滑但是邊緣處有些許納米針顆粒，而最終產(chǎn)物則為純粹的光滑不規(guī)則的納米片形貌，無其他雜質(zhì)顆粒。這表明了陰離子交換反應(yīng)過程中發(fā)生了晶體二次生長(zhǎng)和熟化過程，結(jié)果形成了結(jié)晶性較好的納米晶體。超薄的納米片晶體結(jié)構(gòu)則為電化學(xué)反應(yīng)提供了極短的鋰離子傳輸路徑，增強(qiáng)了離子遷移率，這正好解釋了制備電極擁有的優(yōu)異的電化學(xué)性能。

為了探究ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O電極材料的電化學(xué)性能，對(duì)其進(jìn)行了倍率性能測(cè)試和循環(huán)充放電測(cè)試。其中倍率性能測(cè)試使用0.2-10Ag-1的梯度電流密度，最后回復(fù)到0.2Ag-1。由圖d可知，在不同電流密度下，ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O的第二圈放電比容量分別為907.9、800.8、624.6、526.0、454.0、365.5和988.7mAhg-1，表現(xiàn)出了極高的比容量，即使是在10Ag-1的大電流密度下。且在電流密度回復(fù)到初始值時(shí)，電極的比容量增加至比初始值更高的水平，這表明ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O的優(yōu)異倍率儲(chǔ)鋰能力，體現(xiàn)了在大電流充放電下的電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

為了探究電極的循環(huán)穩(wěn)定性，將其在200mAg-1的電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試（圖e）。電極的首圈放電比容量高達(dá)1165.4mAhg-1，庫(kù)倫效率為74.13%。在循環(huán)過程中電極的比容量逐漸增加，這是一個(gè)電極材料的活化過程。當(dāng)循環(huán)200圈后，電池的放電比容量增加到了1208.7mAhg-1。這證明了ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O具有優(yōu)異的儲(chǔ)鋰能力和循環(huán)壽命。

3 討論

綜上所述，本工作設(shè)計(jì)制備了一種新型的ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O 納米片負(fù)極材料。該材料被證明具有單一完整的納米片形貌并擁有優(yōu)良的結(jié)晶性。此外由于雙過渡金屬原子的協(xié)同效應(yīng)和釩酸鹽的穩(wěn)定性以及納米片結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，該電極材料具有極高的可逆比容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。所以制備的ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O納米片非常有潛力應(yīng)用于下一代高容量鋰離子電池負(fù)極材料。

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*通訊作者： 劉軍。