【引言】

充电机充电蓄电池（LIBs）在能源存储中占有重要地位，其比容量、充放电速率和循环寿命亟需进一步优化。钒氧化物具有高理论容量和丰富的来源，被认为是一种很有潜力的LIBs电极材料，然而低电导率和缓慢的反应动力学限制了其广泛的应用。根据扩散动力学条件，利用纳米带或纳米片超薄的几何特性减小离子扩散长度能有效提升充电机充电蓄电池在反应过程中的扩散速率。但在实际应用中，一方面普通超薄层状纳米材料的自团聚及自堆叠会造成充电机充电蓄电池的容量损失，并限制充电机充电蓄电池快速充放电性能的提升；另一方面，在电极材料的质量负载很高时，伴随以下难题：（1）离子的输运及电子的传导路径增长；（2）细微的形貌改变可能会造成材料整体结构的破坏；（3）电极材料在涂覆的过程中易从金属箔片（集流体）剥离。因此，实现高质量负载下的高性能电极材料充满挑战，引起广泛科研工作的关注。

【成果简介】

近日，武汉理工大学麦立强教授和魏湫龙博士（共同通讯）以“Nanoribbons and Nanoscrolls Intertwined Three-Dimensional Vanadium Oxide Hydrogels for High-Rate Lithium Storage at High Mass Loading Level.”为题Nano Energy上发表文章报道了一种新型H2V3O8三维水凝胶结构复合材料。该水凝胶由超薄纳米带和自卷曲纳米卷相互交联组成。当用于充电机充电蓄电池正极材料时，电荷储存中电容性贡献大幅提高，表明水凝胶结构对Li+的扩散动力学具有大幅提升作用，从而表现出优异的倍率性能和循环稳定性。进一步基于水凝胶的几何特性，作者引入了碳纳米管（CNTs）组装柔性薄膜，实现了在高质量负载下（13 mg cm-2）的优异储锂性能。

【图文介绍】

一  H2V3O8水凝胶及纳米线的合成机理图及形貌表征

a）H2V3O8水凝胶和纳米线的合成机理图；

b,c）纳米线的SEM图像；

d,e）水凝胶的SEM图像。

图二 H2V3O8水凝胶及纳米线的XRD, XPS, N2等温吸脱附充电机充电蓄电池充放电曲线

a）水凝胶和纳米线的XRD图谱；

b）水凝胶和纳米线V的2p轨道XPS分析；

c）水凝胶和纳米线的N2等温吸脱附充电机充电蓄电池充放电曲线。

三 H2V3O8水凝胶的TEM，晶体结构分析，水凝胶的结构形成示意图

a）水凝胶的TEM图谱；

b,c）纳米带的HRTEM和SAED图谱；

d）纳米卷的HRTEM图谱；

e）纳米带的AFM图像；

f）水凝胶的结构形成示意图。

四 H2V3O8水凝胶和纳米线的电化学性能表征

a）0.1 mV s-1扫速下的CV充电机充电蓄电池充放电曲线；

b）0.1 A g-1的电流密度下的充电机充电蓄电池充放电曲线；

c）倍率性能充电机充电蓄电池充放电曲线；

d）1.0 A g-1的电流密度下的循环性能充电机充电蓄电池充放电曲线；

五 柔性H2V3O8水凝胶/CNTs薄膜的制备示意图和表征

a）柔性水凝胶/CNTs薄膜的制备示意图；

b）水凝胶/CNTs复合水凝胶的SEM图

c,d）水凝胶/CNTs薄膜横截面的SEM图；

e）水凝胶/CNTs薄膜的倍率性能；

f）水凝胶/CNTs薄膜在不同的电流密度下的充电机充电蓄电池充放电曲线；

g）水凝胶/CNTs薄膜在4.0 A g-1的电流密度下的循环性能充电机充电蓄电池充放电曲线；

h）水凝胶/CNTs薄膜的面积比容量vs.面积电流密度充电机充电蓄电池充放电曲线

【小结】

该研究利用普适的液相剥离法（包括Li+, Na+, K+, Mg2+, Mn2+, Cu2+ 和 Fe3+均可用于钒氧化物水凝胶的制备）首次的制备了由纳米带和纳米卷相互交联形成的钒氧化物水凝胶。当用于充电机充电蓄电池正极材料时，测试结果表明对Li+的扩散动力学具有大幅提升作用，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。结合其独特的三维结构特性，进一步与CNTs复合制备了无粘结剂的柔性薄膜，大幅提升了材料的电化学性能。即使在高负载下，该薄膜仍具备有优异的储锂性能：当负载量为13 mg cm−2时，其面积比容量高达2.70 mAh cm−2（电流密度为0.91 mA cm−2），同时兼具优异的倍率性能（18.2 mA cm−2的面积电流密度下面积容量为1.16 mAh cm−2）。

这一工作中组装复合水凝胶的方法普适性高，有望拓展至其它超薄材料的合成构筑。此外，本工作实现了钒氧化物电极材料在高质量负载下的优异电化学性能，为实际应用提供了可能。