论文总字数：23022字

摘 要

水系锌离子二次电池(ZIBs)以锌箔为负极材料，具有功率密度高、制造成本低廉及运行安全系数高等优点，在新型绿色能源市场上逐渐发展迅速。近几年，钒氧化物因其三维的层状开放结构，可以容纳离子的嵌入而被许多科学工作者们普遍研究作为水系锌离子电池体系的正极材料。其中V₆O₁₃具有较高的比容量输出及良好的循环稳定性和可逆性，被认为是水系锌离子二次电池正极材料的有力候选者。本文利用水热法合成了V₆O₁₃纳米材料。主要的研究结果如下：

（1）通过水热法成功地合成了单斜晶系结构的V₆O₁₃纳米材料，经过形貌的显微结构分析，发现所制样品具有明显的晶格条纹，表明其结晶度高；且通过测量得到相邻两晶面间的距离约为0.58 nm，对应于V₆O₁₃单斜晶相的（200）原子面，表明V₆O₁₃晶体平面生长的方向为（100）方向。

（2）测试V₆O₁₃的电化学性能，在50 mA g^-1电流密度下的初始放电容量为416.4 mAh g^-1；在2000 mA g^-1的最高电流密度下循环后，当电流密度降回到初始值为100 mA g^-1时可恢复到337 mAh g^-1的放电容量。

关键词：水系锌离子电池；正极材料；V₆O₁₃纳米材料；电化学性能

Abstract

The rechargeable aqueous zinc ion battery (ZIBs) uses zinc foil as the anode material. High power density, low manufacturing cost and high operating safety are its advantages. Today, it has a strong development potential in the application of large-scale energy storage system. In recent years, many scientists have researched vanadium oxide as the positive electrode material for the aqueous zinc ion battery, because its three-dimensional layered open structure can accommodate the ion embedding. Among them, V₆O₁₃ has high specific capacity output, good cycle stability and reversibility in the aqueous zinc ion battery, and is considered as a strong candidate for ZIBs positive electrode material. V₆O₁₃ nanometer material was prepared by simple hydrothermal synthesis. The main results are as follows:

（1）The hydrothermal synthesis of V₆O₁₃ is monoclinic. After the microstructure analysis of the morphology, it was found that the sample had obvious lattice stripes, indicating its high crystallinity. Moreover, it was also found that 0.58 nm was the distance between two adjacent crystal planes, corresponding to the (200) atomic plane of the V₆O₁₃ monoclinic crystalline phase, indicating that the (100) direction is the growth direction of V₆O₁₃ crystal plane.

（2）The electrochemical performance of V₆O₁₃ was tested. The initial discharge capacity of 416.4 mAh g^-1 was obtained at the current density of 50 mA g^-1. The discharge capacity of 337 mAh g^-1 is recovered when the current density drops back to the original value of 100 mA g^-1 after cycling at the highest current density of 2000 mA g^-1.

Key Words：aqueous zinc-ion battery; cathode material; V₆O₁₃ nanomete material; electrochemical performance.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2水系锌离子电池简介 1

1.2.1水系锌离子电池的发展 1

1.2.2水系锌离子电池的构成 2

1.2.3水系锌离子电池的工作原理 2

1.3水系锌离子电池正极材料 3

1.3.1锰基化合物 4

1.3.2钒基化合物 5

1.4研究目的意义及内容 5

第2章 实验材料的制备与表征 7

2.1材料制备 7

2.1.1实验试剂 7

2.1.2实验设备 8

2.2材料测试与表征技术 8

2.2.1 X射线衍射（XRD）分析 8

2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）分析 8

2.2.3 X射线光电子能谱分析 8

2.2.4 透射电子显微镜（TEM）分析 9

2.3材料的电化学性能测试 9

2.3.1正极电极片的制备 9

2.3.2扣式电池的组装 9

2.3.3循环伏安特性曲线测试（CV） 9

2.3.4恒流充放电测试 9

2.4本章小结 9

第3章 V₆O₁₃正极材料的表征与电化学性能分析 11

3.1 V₆O₁₃的表征 11

3.1.1物相结构分析 11

3.1.2显微结构分析 11

3.1.3 EDS分析 12

3.1.4 XPS分析 13

3.1.5 Raman分析 14

3.2 V₆O₁₃的电化学性能分析 15

3.2.1充放电曲线分析 15

3.2.2循环性能分析 16

3.2.3倍率性能分析 17

3.2.4循环伏安特性曲线分析 18

3.2.5材料结构与电化学性能的相关性讨论 19

3.3本章小结 19

第4章 结论 21

参考文献 22

致 谢 24

附 录A 25

附 录B 26

第1章 绪论

1.1引言

当今社会，人们开始追求人与自然的和谐相处，对于绿色环保储能设备的需求也随之日益的增长，快速地促进了先进可充电电池的发展^[1-2]。众所周知，在近三十年的能源发展进程中，锂离子电池已经在便携式电子设备和大型储能系统中占据了主导地位。但随着科技的不断进步，锂资源有限、成本高以及易燃有机电解质等安全性问题，都极大地阻碍了锂离子电池在能源市场中的进一步发展^[3-4]。这些问题同时也在促使着人们不断地探寻合适的高安全性的新型可充电电池系统，其中锌离子电池具有功率密度高、制造成本低廉及运行安全系数高等优点^[5]，近年来备受关注。金属锌不仅在自然界中含量丰富（地表储量约18000万吨）、无毒、廉价，而且其金属形态在水溶液中相对稳定，反应性极小，在水溶液体系中使用方便。所以在追求绿色环保的今天，二次锌离子水系电池在新型绿色能源市场上逐渐发展迅速，被认为是目前社会具有巨大发展潜力的绿色能源体系^[6-8]。

为了增强了水系锌离子电池(AZIBs)在水系可充电电池领域的竞争优势，正极材料的开发应用也在不断的探索开发之中。其中V₆O₁₃电极材料因其具有三维的层状开放结构，为电池充放电时离子的脱嵌反应提供了足够的活性位点，实现了良好的电化学性能。为了深入研究V₆O₁₃正极材料拥有良好电化学性能的本质原因，本文则基于目前V₆O₁₃的研究现状，采用了简单的水热合成方法制备V₆O₁₃纳米材料，然后表征分析它的物相形貌和电化学性能，旨在通过简单的合成方法制备出具有高倍率性能和循环稳定性的V₆O₁₃电极材料。

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