冰模板法构筑碳-钒基氧化物复合材料的结构调控机制及材料储锂性能研究

To hybrid vanadium oxides with conductive carbon backbone is one of the general and effective approaches to improve the lithium-storage performances of vanadium oxides electrode, which have been limited by poor cycling stability and rate capability. However, the controllable preparation of such hierarchical nanostructures via a facile, efficient and green approach and their performance manipulation are still big challenges. .In this project, we propose a facile, green and controllable approach to make carbon-vanadium oxide nanocomposites with better Li-ion diffusion and electronic conductive path. Ice crystals are used as green templates to direct the self-assembly of carbon and vanadium oxide to construct hierarchical nanocomposites. This project will study the construction mechanisms and principles of hierarchical nanocomposites by using ice crystals as templates, and the manipulations of the as-prepared micro/nanostructures as well as their lithium storage performances. This project will disclose the assembling mechanisms of inorganic materials with ice crystals as templates, and reveal the structure-properties relationships of such composites electrode. By this study, the environment-friendly synthesis method to construct hierarchical nanocomposites with improved electrochemical performances can be obtained, which would settle a foundation for the further development of Li-ion batteries.

碳-钒基氧化物复合材料能有效改善钒基氧化物的储锂性能，但其绿色高效、可控制备，尤其是对其微观结构的可控构筑和性能的调控仍是一项巨大的挑战。针对存在的问题，本项目拟研发以冰晶为模板导向剂，绿色高效、可控制备兼具离子通道和电子导电网络的碳-钒基氧化物复合材料的方法，并调节不同的构筑条件，对碳-钒基氧化物协同自组装的构筑机制和其储锂性能的调控规律进行研究。本项目有助于理解以冰晶为模板调控一种或多种材料自组装复合的规律和机制；阐明构筑条件和复合物结构之间的关系；揭示复合电极材料的电化学性能与其微观结构的构效关系；获得具有高性能储锂特性的复合材料的绿色高效、可控制备方法和性能调控规律，具有重要的理论和实际意义。

碳-钒基氧化物复合材料能有效改善钒基氧化物的储锂性能，但其绿色、高效可控制备，尤其是微观结构构筑机制和其性能调控是一项巨大的挑战。本项目首先开发了一种高效的碳材料表面改性方法，简单高效地在碳的表面引入官能化基团，使碳纳米管和石墨烯的能够在不同的基体材料中均匀分散，稳定存在，可明显改善碳纳米管和石墨烯等碳基材料和其纳米颗粒在水溶液中的分散共混能力，为下一步调控制备碳材料和其它材料在溶液以及冰晶模板内的组装提供了可能性。现有技术相比，项目开发的方法具有简单、高效、安全环保和可规模化生产的优点，且不会产生剧毒性的废弃物，环境友好，可以实现对多种碳材料包括碳纳米管、石墨烯以及石墨，是一种非常有前景、高效的碳材料改性方法。研究以碳纳米管和钒基氧化物为主题，研究了以冰晶为模板调控一种或多种无机材料自组装复合的规律和机理；阐明构筑条件和复合物结构之间的关系；揭示复合电极材料的电化学性能与其微观结构的构效关系。研究通过总结制备和优化条件，得到了具有高性能储锂特性的二维片层结构的碳纳米管-五氧化二钒复合物，它在20C的电流密度下的容量高达160 mA h g-1, 在5C的电流密度下循环300次能保持71% 的初始容量，远远好于同条件下的商业化的五氧化二钒的性能。.研究工作按照项目计划书的要求完成，取得了一系列成果，初步阐明了以冰晶为模板调控一种或多种无机材料自组装复合的规律和可能的机制。总的结论是：没有冰晶做模板，传统的干燥只能得到团聚的碳纳米管/五氧化二钒混合物，极易导致其不稳定甚至剥离，因此具有较大的局限性，不易实现；以冰晶为模板导向剂，冷冻干燥后两者能够形成自支撑结构，有一定的力学强度和良好的导电网络，复合材料具有更好的综合性能。冰晶模板策略，不仅能够设计制备出性能优良的新型复合材料，而且还有望在自支撑材料的绿色构筑等领域得到应用。