摘 要

本论文主要研究了三种不同钠离子掺杂量的纳米线的电化学性能，通过一次水热的方法得到了三种不同钠离子掺杂量的纳米线，对三种材料进行SEM，XRD和ICP测试，研究了其形貌特征，晶体结构和组成元素的情况，然后通过微纳加工工艺将三种纳米线制作成单根器件，对三种器件进行I/V测试，得出掺杂量对纳米线导电率的影响，然后对比了不同量掺杂下的纳米线的CV曲线，由此得出了以下研究成果：

（1）通过水热调控得到了三种程度掺杂的纳米线，它们的相貌均为线状，直径在100nm左右，其物相均为NaV₆O₁₅的相。

（2）在这三种纳米线中，掺杂量越多，纳米线的导电率越高，在加入电解液后它们导电率则呈现一定程度的衰减；

（3）在CV测试中，中等程度的掺杂的纳米线的性能最为优异。

关键字：钠离子掺杂纳米线，单根纳米线器件，水系锂离子电池

Abstract

This thesis mainly studies the electrochemical performance of three different sodium ions doped nanowires, which were synthesized through one-step hydrothermal, we study those nanowires’ morphology, crystal structure and components by SEM,XRD and ICP, then we build three single electrode devices through nanofabrication technologies. By testing those devices, we conclude the change of electric conductivity of vanadium oxide nanowires under the influence of doping .Using Autolab electrochemical workstation, we investigate the CV of three single electrode devices. The results indicated:

(1) By controlling the mount of sodium hydroxide, we synthesize three different sodium ions doped nanowires, their morphology are wire, the diameter of those nanowires are about 100nm, they have a crystal structure of NaV₆O₁₅, the difference of those nanowires is components.

(2) The more the nanowire dope, the better the electric conductivity of nanowire.

(3) At the CV testing, middle-doping nanowire device’s performance is the best.

Keywords：sodium ions doped nanowires，single-nanowire electrode device，Aqueous lithium-ion batteries

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.2锂离子电池 1

1.2.1有机电解液体系锂离子电池 1

1.2.2水系锂离子电池 2

1.3单根纳米线储能器件 4

1.4研究的目的与挑战 6

1.4.1研究的目的 6

1.4.2究的挑战 6

第2章钒氧化物纳米线材料的制备及表征 7

2.1制备不同纳离子掺杂的钒氧化物纳米线 7

2.1.2实验药品 7

2.1.2实验设备 7

2.1.3实验内容 7

2.2纳米线结形貌与结构表征 8

2.2.1实验仪器 8

2.2.2纳米线形貌表征 8

2.2.3纳米线的晶体结构表征 9

2.2.4纳米线的元素含量分析 10

2.5小结 11

第3章单根纳米线器件构筑 13

3.1实验器材与实验原理 13

3.1.1实验药品 13

3.1.2实验仪器 13

3.1.3实验方法 13

3.2实验内容 14

3.2.1制作外部电极电路 14

3.2.2搭建内部电路 15

3.3暴露纳米线 16

3.4小结 17

第4章性能表征 19

4.1实验器材 19

4.2搭建器件测试系统与材料性能表征 19

4.2.1搭建测试系统 19

4.2.2测试方法 19

4.2.3 I/V测试 19

4.2.4 CV测试 21

4.3小结 24

第5章结论及展望 25

5.1结论 25

5.2展望 25

参考文献 26

致 谢 29

第一章 绪论

1.1引言

化石燃料的燃烧增加了大气中二氧化碳的浓度从而引发了温室效应，导致了全球变暖问题^[1,2]。因此人们将目光转向了诸如太阳能，风能和潮汐能等可再生能源，这些能源的产生会随着季节，地区等因素的变化而变化，而人类对能源的寻求是持续不断的，所以解决对这些不连续能源的储存问题至关重要。将大型能量存储系统与电网连接，用以存储可再生能源的能量，可以有效得解决这一问题^[3,4]。对于能量存储系统来说，其材料需要满足以下几个必要条件：（1）低成本和维系费用；（2）在长期使用过程中低危险性；（3）高的循环容量；（4）长的使用寿命^[5]。

锂离子电池作为20世纪90年代初期出现的可充电电池设备因其高的比容量，高电压和高循环效率而被广泛使用^[6]。但是锂离子电池也有其自身的缺陷，制造锂离子电池的工艺流程非常严格，有机电解液也存在安全性问题及其价格问题，并且离子在有机电解液中的传导速度严重限制了锂离子电池的性能。在20世纪90年代末期出现了水系可充电锂离子电池，其使用的电解液为水溶液^[7-9]。相对于有机电解液的锂离子电池，水系的锂离子电池有着以下的优点：（1）相对于非水体系高的离子电导率，因而产生高的容量密度和高的体积密度；（2）即使在过度使用下也没有很大的安全隐患；（3）成本低；（4）对环境污染小^[9]。因此，对水系锂离子电池的研究能够在一定程度上弥补有机电解液的锂离子电池自身存在的缺陷，促进纳米材料在能源储存和应用方向上的发展。