钒氧化物纳米线的可控制备、储镁性能与机制

Magnesium batteries based on nanomaterials with high performance, low cost, and free-pollution is advanced and crossed areas of new-energy technique and nanotechnology. This proposal focuses on the design and preparation of high-performance vanadium oxide nanowires by template method, wet chemistry method, electrospinning technology and so on, which can be used as cathode materials for Mg battery and single nanowire device. The characterization of the products, such as phase, morphology, interfacial structure, element chemical environment, spectral feature will be done. Further, we will investigate the relationship between the material structure, interlayer spacing, interface, specific surface area, very small polarity distribution, synergistic effect, and Mg-ion diffusion, electron transportation, voltage polarization, charge/discharge, cycling reversibility. Consequently, we will reveal the intrinsic relationship between carrier transport and performance deterioration of Mg batteries. To improve the property of Mg ion intercalation/disintercalation of the system, the approaches will be adopted by controlled synthesis of material, uniform doping, performance control. This research will lay a foundation for the investigation and application of new-type high-performance Mg batteries.

开发基于纳米材料的高性能、低成本、绿色化的镁电池是新能源技术和纳米技术的交叉和前沿。本项目拟基于材料设计，结合模板法、湿化学法、静电纺丝技术等制备高性能钒氧化物纳米线，并以其作为正极材料组装镁电池和单根纳米线器件。表征钒氧化物纳米线的物相、形貌、界面结构、元素化学环境、光谱特征等，原位测试纳米线的电输运与本征电化学性能。研究材料结构、层间距、界面、比表面积、小极化子分布、协同效应与镁离子扩散、电子传输、电压极化、充放电、循环可逆性等的相互关系，揭示载流子传输与镁电池性能劣化的内在联系。通过材料的可控生长、均匀掺杂、性能调控等提高纳米线的脱嵌镁性能，为新型高性能镁电池的探索与开发奠定科学基础。

开发新型高能量密度、低成本并能提供快速镁离子扩散的正极材料是镁电池研发的科学难点和重要挑战。我国钒资源储量丰富，约占全球储量的34%，并且钒氧化物作为电极材料时可以提供多个电子的转移，表现出较高的理论容量，因此开发具有优异储镁性能的钒氧化物正极材料对我国矿产资源的高效利用和镁电池的发展具有重要的现实意义和经济意义。. 本项目在2017年至2019年设计开发了多种钒氧化物纳米线材料，并系统研究了其作为镁基电池正极时的储镁性能与存储机制，相关代表性工作列举如下：（1）通过水热合成的方法构筑了镁掺杂的双层五氧化二钒（Mg0.3V2O5·1.1H2O）纳米线结构，其展示出优异的镁离子存储性能（4 A g-1的大倍率下容量依然高达50 mAh g-1，经过10000次循环容量保持率为80%），利用原位XRD、XANES、FT-EXAFS、MAS NMR等测试技术系统研究了纳米线结构、镁掺杂及层间水对镁离子存储机理的影响；（2）以H2V3O8纳米线为前驱体，通过Li+, Na+, K+离子对H离子的替换，成功合成了LiV3O8, NaV3O8, KV3O8纳米线材料，并基于结构分析、电化学性能对比以及DFT计算，深入探究了Li+, Na+, K+三种离子的预嵌入对钒氧化物纳米线结构、储镁性能的作用；（3）首次将过渡金属离子（Mn2+）预嵌入到水合五氧化二钒的结构中，制备了Mn0.04V2O5·1.17H2O纳米带结构，将其作为镁离子电池正极时，在0.05 A g-1的电流密度下，其放电比容量高达145 mAh g-1，并且经过100次循环容量无明显衰减；在2 A g-1的大倍率下，经过10000次充放电循环后容量保持率高达82%，同时，利用多扫速CV、原位XRD、非原位TEM、XPS等测试技术对镁离子的存储机理进行了详细探究。. 本项目的研究对钒氧化物纳米线的可控制备、高性能镁电池的发展及其机理探究提供了重要的科学依据。