锂离子电池:发现微纳米结构五氧化二钒 (V2O5) 电极材料性能新高峰

进入新世纪以来,能源的可持续高效利用逐渐成为社会各界普遍关注的热点话题。除了发展诸如太阳能、核能、风能、潮汐能、地热能等新型能源外,能源的有效存储技术也是解决能源问题的一个突破口。锂离子电池自上世纪九十年代初实现商业推广以来,由于其较高的能量密度和轻巧的体积,目前已成为人们日常生活中最常用的可充电电池类型。一些新兴技术领域,如电动汽车、智能电网、无人机等等也逐渐开始采用锂离子电池作为动力来源或能量储存介质。然而,由于锂离子电池的传统块体正极材料(钴酸锂、镍酸锂、磷酸铁等)所具有的各种性能短板,人们迫切需要找到具有高能量/容量密度、超长循环次数、可靠的性能稳定性、安全系数高、成本低廉等特点的新型正极材料。五氧化二钒 (V2O5) 作为一种储量丰富、开发成本低并具有独特电化学储能性质的过渡金属氧化物,近年来在新型锂离子电池正极材料的研发中扮演着十分重要的角色。近来不断涌现出的各具特色的五氧化二钒微纳米结构能够更好的发挥出其三种锂离子嵌入/脱嵌模式的独有特点,使得五氧化二钒在各种过渡金属氧化物电极材料中脱颖而出。

AENM-yueyuan

近日,美国德州A&M大学(Texas A&M University) 材料科学与工程系博士生岳源(Yuan Yue)在其导师、机械工程系及材料科学与工程系教授梁虹博士(Dr. Hong Liang)的指导下,着眼于更好地发挥出五氧化二钒储能性能的目的,对近十年来(2007-2017)发表的250余篇有关五氧化二钒锂离子电池电极材料的研究论文进行了系统全面的梳理和分析,独到地将五氧化二钒根据三种锂离子嵌入/脱嵌模式进行分类讨论,得出了这三种模式在电化学性能上各自的优缺点。此项研究的一大亮点在于通过分析大量数据,提出了五氧化二钒电极材料所具有的“高容量带区”以及“容量总损失比例”两项新性能指标,为今后针对五氧化二钒电极材料的设计与电化学表征指明了方向。此外,该项研究还比较了纯五氧化二钒电极和以五氧化二钒为基础的纳米复合电极的性能,并分析了这些电极在具有层状特征的微纳米结构 (hierarchical micro- and nano-structures) 时电化学性能的提升。基于上述调研分析结果,作者针对今后五氧化二钒电极材料的研究提出以下几点展望:(1) 在电化学表征时,应充分考虑五氧化二钒的“高容量带区”以及“容量总损失比例”两项指标进行实验最优化,使其电化学性能达到“新高峰”;(2) 水热法制备纳米结构五氧化二钒电极仍有很大潜力可挖;(3) 向五氧化二钒中添加碳基纳米材料或掺杂其他离子可以提高其导电性从而提升电化学性能;(4) 具有微纳米尺度层状或孔状结构的电极集流体可以有效提升电池性能。总的来说,作者认为五氧化二钒微纳米结构电极在锂离子电池领域的应用前景广阔,大有可为。

该研究成果相关综述论文已发表在Advanced Energy Materials ( DOI: 10.1002/aenm.201602545)上。岳源为第一作者,梁虹博士为通讯作者。