电化学电容器用纳米钒基化合物负极材料的制备与性能研究

针对目前电化学电容器缺乏高比容量负极材料的现状，本项目提出制备氮化钒纳米晶和钒氧化物/碳纳米管阵列（CNTA）两类高比容量负极材料的构想。该构想将理论比容量高但电导率低的钒氧化物纳米化并均匀、紧密地分别附着到高电导率的氮化钒或CNTA之上，有效地发挥氮化钒和CNTA在充放电过程中的电子传导作用和对钒氧化物的固定作用，构成电极结构稳定、电子输运阻力小、活性物质固相离子扩散距离短、固/液接触界面大的物理环境，达到钒氧化物利用率高、动力学性能好和循环寿命长的效果。拟采用电化学技术、纳米技术、结合现代物理和化学的表征和测试方法，制备上述两类钒基化合物复合电极材料，阐明其在低电位区域内的储能机制，实现对该材料成分、晶粒尺寸、微观形态的控制，认识该材料"制备条件-微观结构-电化学性能"之间的关联，丰富电化学电容器的理论，获得综合性能优越的负极材料，为高性能电化学电容器的开发和应用奠定基础。

根据电化学电容器缺少高比容量负极材料的现状，在本课题资助下，我们设计、制备了一系列VN负极材料，并系统研究了其电化学性能。首先通过高温氨解还原法制备VN纳米颗粒，通过研究首次提出VN比容量由其比表面积决定，并据此分别采用模板法和喷雾干燥制备了具有高比表面积、高比容量的介孔VN和球形多孔VN两种材料。采用炭包覆的方法制备了VN/C复合材料，VN的倍率性能和循环性能得到了进一步的改善。在实验数据的基础上，对VN材料的储能机制进行了系统研究，并证明VN的比容量主要是由表面的氧化钒发生氧化还原反应产生的准电容提供。我们将VN材料用于电化学电容器负极，与商品球形NiOx正极材料组装VN/NiOx电化学混合电容器新体系，其能量密度和功率密度优良。发表期刊论文9篇，其中8篇被SCI收录。