碳管封装五氧化二钒用于柔性高性能锂离子电

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通过静电纺丝技术与化学气相沉积（CVD）方法相结合，将五氧化二钒（V2O5）纳米片封装到碳纳米管中，成功制备了独特的一维复合结构，发展了一种新的原位策略。作为锂离子电池正极材料，V2O5

G表现出优异的柔韧性和大倍率以及稳定的储锂性能。在电流密度0.1C下，可逆比容量为mAhg-1，当电流密度升至10C，比容量仍高达90mAhg-1，次循环后每圈容量衰减率只有0.04%。当制备成全电池后，在功率密度15.2kWkg-1下，可获得Whkg-1高的能量密度，表现出了良好的电化学性能。该文章发表在国际顶级期刊EnergyEnvironmentalScience上。

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研究背景

随着柔性可穿戴设备的发展，对储能装置也提出了新的需求。而目前锂离子电池正极材料比容量一般低于mAhg-1，已不能满足下一代柔性可穿戴电子设备的需求。V2O5被认为是可逆Li+嵌入/脱出的良好主体，具有多电子转移能力，具备较高的理论比容量，可以在2.0–4.0V的电压范围内实现mAhg-1的高理论容量（相对于Li/Li+）。除此以外，由于我国钒含量较为丰富、制备无需高温等优势也使得其作为锂离子电池电极材料更具吸引力。然而到目前为止，V2O5在锂离子扩散时发生降解、导电性差，导致容量衰减快、倍率性能差。

针对上述问题，作者通过静电纺丝技术和化学气相沉积方法，将V2O5纳米片封装进多层石墨纳米管中，得到纳米电缆结构V2O5

G复合物。

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研究内容

通过静电纺丝技术和化学气相沉积方法，将V2O5纳米片封装进多层石墨纳米管中，得到电缆结构V2O5

G复合物。CVD生长的石墨碳层卷起形成空心碳纳米管，原位生长的V2O5纳米片均匀地封装在纳米管中，从而形成机械坚固的V2O5

G电缆，这些纳米电缆进一步交织成了柔性纳米网络。

制备的V2O5

G材料显示出0.7Scm-1的优异导电性以及机械强度。这一特性使其能够直接用作锂离子电池电极，而无需进一步引入导电剂和粘结剂。SEM图像（图1c）表明，制备的纳米网络由相互连接的纳米线组成，每条纳米线的直径约为nm。进一步放大每条纳米线（图2a），电缆壁由几层石墨碳组成，其中V2O5纳米片均匀地嵌入单个纳米电缆中。纺丝溶液的均匀分散特性使每种成分（如钒）均匀分散在获得的纳米线中，通过甲烷的原位分解，在获得的纳米纤维表面沉积了几层石墨碳。石墨碳层通过CVD工艺在二氧化硅纳米纤维表面生长，形成纳米管。生长在二氧化硅基底上的石墨碳涂层在结构上是含有缺陷的多晶层。结构缺陷的特征对于提供有效锂离子传输的途径至关重要。

图1.电极的设计和构建

图2.V2O5

G的形貌表征及成分分析

这种独特的V2O5

G复合材料表现出了出色的倍率性能，在电流密度为0.03Ag-1(0.1C)时，第一圈循环显示了mAh-1的容量，即使电流密度增加到30Ag-1(C)，容量约90mAhg-1。当在高电流密度下循环后电流密度再次降低到0.06Ag-1(0.2C)，V2O5

G仍然可以恢复到约mAh-1的可逆容量。

图3.V2O5

G电极的电化学性能

图4.柔性电池器件及电化学性能

为了验证这种柔性电极设计的可行性，我们制作了一种柔性SnOx-V2O5电池，经过前两个循环的轻微衰减后，柔性电池的容量在随后的循环中保持90%以上的容量。更重要的是，柔性电池在度弯曲状态下循环5次，其容量基本保持不变，表明柔性电池具有优良的力学性能。为了进一步验证柔性电池的柔性和力学性能，图4c插图展示了柔性电池的弯曲情况。即使超过次弯曲循环，开路电压稳定保持在3V，无论是平的还是弯曲的，都可以点亮LED。

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结论

1.设计并成功制备了一种用于柔性锂离子电池的新型正极材料。独特的正极材料是一种柔性薄膜，是由V2O5纳米片封装在碳管中形成纳米电缆结构。

2.组装的电池不仅具有良好的柔韧性，而且具有超快、稳定的锂离子存储性能。在15.2kWkg-1的功率下，实现约为Whkg-1的能量密度。

3.成功组装了基于V2O5的柔性储能器件，该器件显示出良好的循环稳定性和优异的机械性能。本研究开发的策略对于新型正极材料的探索以及柔性储能器件的制造和应用提供了有效的参考价值。

参考文献：

DebinKong,XianglongLi,YunboZhang,XiaoHai,BinWang,XiongyingQiu,QiSong,Quan-HongYangandLinjieZhi，EncapsulatingV2O5intocarbonnanotubesenablesthesynthesisofflexiblehigh-performancelithiumionbatteries，EnergyEnvironmentalScience，，DOI：10./c5eed

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