五氧化二钒的制备及其在离子电容器中的应用.docx

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1、五氧化二帆的制备及其在离子电容器中的应用李进，刘丰，闫硕，洪优优（洛阳师范学院化学化工学院，河南洛阳471934）在全球经济高速增长的同时，电动汽车，计算机，小型便携式电子产 品以及移动无线通信设备也在不断进步与发展，用户对于移动化学电 源的性能要求越来越高，它除了具有比能量密度高外，还需要有较高 的功率密度，能够应用于终端产品的整个生命周期，更适用于大容量 电器的使用1。科学技术的不断发展进步过程中，全球气候变暖、 环境污染加剧以及日益严重的能源危机等问题已引起世界各国的密 切关注，因此，开发廉价、高效、可持续发展且环境友好型的高性能 能量储存设备已成为人类的迫切需要。电化学电容器又称超级电

2、容器，其具有法拉级别的超大电容量，是介 于二次电池和传统物理电容器之间的一种通过电化学反应来进行储 能的新型绿色储能设备2。超级电容器的电化学性能远远高于电池， 在高速充放电循环过程中，超级电容器的特性变化不大，工作温度区 间范围也较大。由于兼具传统物理电容器和二次电池两者的共同优点, 具有功率密度高、温度特性良好、不需要维护、绿色环保等综合优异 性能，在备用能源、航空航天、无线通信、混合动力汽车、间歇式风 能和太阳能等领域有着巨大的应用价值和市场潜力3-4。电化学电 容器根据电荷储存机制不同可划分两个类别，一类是双电层电容器， 通过电子在电极/电解质界面上积累来进行储能，双电层特性的有效 应

3、用降低了电化学电源的成本，并延长了电容器的使用寿命5-6。 另一类是震电容器，其主要是通过电容活性材料（过渡金属氧化物、 金属氢氧化物和导电聚合物）与电解质的氧化还原反应，以及化学吸 附/脱附来实现对能量的储存与转换7,这两种反应在电极表面和电 极内部都能产生，因而可获得较高的电容量和功率密度。电化学电容器自问世以来便引起了国内外科研工作者的研究热潮，电 化学电容器在一些领域的应用前景也非常广阔。例如其可用作储存设 备的备用能源，目前应用最广的是小型便携式电子产品领域，例如出 租车计时器、电脑、卫星接收器等，如果主电源出现一些故障或者接 触不良时，超级电容器就可充当备用能源使用。超级电容器也可

4、用作 一些电子设备的主电源，电动汽车上使用的铅蓄电池，通常要在几秒 钟内达到上千培的电流，但是仅仅有一小部分的能量能利用上，铅蓄 电池使用寿命有限，低温性能较差，而且会对环境造成污染，因此可 将超级电容器与电池并联使用。电化学电容器可在短时间内进行快速 大功率和大电流充放电，可实现能量的回收利用，延长储能器件的使 用寿命并降低其使用成本。超级电容器由于具有高循环效率和超长使 用寿命等优点而被用作替代能源，例如太阳能路灯的使用，白天其可 将光能转化为电能并进行储存，夜晚可提供电能进行长时间照明，而 且其成本较低，无需维护。1五氧化二银电极材料的研究1五氧化二银概述帆是VB族的一种过渡金属元素，研

5、究发现，帆在各种过渡金属材料 中表现出优越的性能，锐可与氧形成锐氧化物，例如VO、V02、V203、 V205等。V205是一种具有独特的层状结构，高理论容量的电化学氧 化还原活性材料，因其资源丰富，能量密度高、易合成、安全性好、 价格低廉等优点而备受研究者关注8。大量文献表明，V205电极材 料的比表面积有限，在充放电过程中循环性差、结构不稳定，再者加 上电导率低的限制，其电容量达不到预期值9。五氧化二帆的尺寸、 结构和形貌对电极的电化学性能至关重要，因此为了获得不同形貌和 结构的五氧化二机提高其电化学性能，人们设计了很多种方法，例如 水热法、溶胶-凝胶法、溅射法等。1.2 五氧化二锐的制备

6、方法. 1水热法水热法是以水为溶剂、在高压反应釜中使粉体溶解并重结晶制备材料 的一种方法。此法操作较简单，制备的产品纯度高、分散性好，而且 可通过调节反应条件控制晶体结构和形态，是制备V205的一种常用 方法。Ye等10采用水热法、再经冷冻干燥和氧化处理，最终制备了具有 三维结构的还原氧化石墨烯涂层的V2O5纳米带，研究表明，这种复 合材料同时具有碳基材料良好的速率性能和金属氧化物高的比电容; 胡兵兵等11通过水热法直接在柔性基质碳布上生长出了海胆状 V2O5纳米球，独特的海胆状V2O5纳米球结构可增大与电解液的接触 面积，其比电容量高达535 F/g；孟琳等12通过共溶剂水热法制备 了五氧化

7、二帆纳米棒，经掺杂铜离子后形貌变为微球状，掺杂后的电 极材料具有更好的电化学性能，其初始比容量为273. 30 mAh/g,循 环50次后电容保持率为99. 04%；胡宁敬等13通过水热法制备了 V2O5多孔微球和V2O5实心微球体，V2O5多孔微球体初始放电比容量 可达147mAh/g,经400次循环后容量保持率仍可达9K, V205实心 微球体初始放电比容量为123 mAh/g, 400次循环后容量保持率为 72. 7%。通过对比可得出多孔微球体结构有利于锂离子的嵌入及脱嵌， 缩短了锂离子扩散路径，因此提高了电容器的电化学性能。1.2.2 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是以无机化合物或金属酸盐为

8、前驱体，通过水解与缩合 聚合反应形成溶胶，最后经过相应的后处理形成凝胶制品的一种方法。 该法制备的电极材料纯度高、粒径分布均匀、可有效提高电容器的比 电容，而且其反应条件温和、制备工艺简单、成本低，由于该法在制 备纳米级金属氧化物电极材料方面具有独特优势而受到研究人员的 重视。Bi等14采用溶胶凝胶法合成了新型三维岛链结构的五氧化 二锐/石墨烯/多壁碳纳米管杂化气凝胶，通过电化学测量显示，此材 料具有高比电容和突出的循环性能，经32500次循环后电容保持率为 82. 9%；甄恩明等15以二乙酰丙酮氧锐为前驱物通过此方法制备出 了沿c轴生长的多晶纳米五氧化二锐薄膜，经X射线衍射、红外光谱 吸收、

9、紫外可见光谱分析可得，纳米V205薄膜结晶性能良好，且具 有高能量密度和高充放电容量。姚金环等16制备了 V205/石墨烯复 合材料，经电化学测试可得，其具有更高的储锂活性和优异的大电流 放电性能。1.2.3 其他方法Wee等17采用静电纺丝法制备了五氧化二锐纳米纤维；Perera等 18将水热法与脉冲激光法相结合，在高比表面积碳纤维织物上制备 了具有密集径向排列的五氧化二锐纳米管团簇，该材料具有良好的电 化学性能，其能量密度可达到11.6 Wh/kgo黄健华等19通过淬冷 法制备了无定形V205,此方法制备的无定形V205比电容为185. 1 F/g, 其具有良好的循环性能。除此之外，制备五

10、氧化二锐电极材料的方法 还有蒸发法、共沉淀法、脉冲激光沉积法、锐酸盐离子交换法等。2五氧化二银在离子电容器中的应用Manikandana等20采用共沉淀法制备了具有纳米棒状结构的 NaO. 33V205复合材料，NaO. 33V205对称超级电容器在三种不同水溶 液电解质(LiCl、KC1、NaCl)中均表现出良好的电化学性能，特别是 在1M的NaCl电解液中，在5000次充放电循环后其电容保持率高达 88%O Meng等21采用湿浸渍法制备了纳米结构的V205介孔碳微球 复合电极材料(MCM/V205)。所制备的复合材料具有均匀的介孔结构， 表现出超强的循环稳定性，1000次循环后电容保持率

11、达到88队然后 以A12(S04)3为电解液制备出了 一种高效、低成本的水性铝离子超级 电容器，以MCM/V205为电极材料的铝离子超级电容器具有安全性高、 成本低等优点，是一种很有前途的储能材料。3结语V205是一种过渡金属氧化物，由于其资源丰富、比电容高、价格低 廉，因此近年来国内外的科研工作者都致力于五氧化二钿电极材料的 研究，以V205为电极材料的离子电容器的性能也在不断提高。但是 五氧化二锐也有一些缺点，例如电导率较低、结构稳定性差等问题, 使其在超级电容器的应用方面受到限制，因此研究者改善了 V205电 极材料的形貌和结构来增加其比表面积，通过掺杂其他金属离子来提 高其结构稳定性，以及通过与导电材料进行复合来增加其导电性，进 而提高V205电极材料在离子电容器中的电化学性能。当然对于五氧 化二机电极材料的制备方法、技术、应用还有待进一步的研究。