3.4　一维V2O5纳米材料的电化学性能表征

充放电区间是电池测试重要的参数之一，即使相同的材料在不同的测试电压范围内也会有不同的电化学性能，主要表现在循环性能和实际比容量的不同。特别是多电子转移的电极材料，这种现象更加明显。所以，我们首先测试了多孔V2O5纳米管在2.0～4.0V电压区间的电化学性能。如图3-7所示，多孔V2O5纳米管正极材料展现出了高的比容量（276.2mA·h/g），但是循环后保持率较差，仅有27％。明显地，虽然宽的电压范围能转移更多的电子，实现更多锂离子的脱嵌，但是电压范围增大后不可逆性增强，电池的放电比容量衰减加剧。这主要是由于V2O5在放电过程中结构发生了多相间的变化，多相间的不可逆可能导致整个电化学过程的不可逆。所以，为了平衡比容量与循环性能之间的矛盾关系，获得整个性能更优异的结果，我们选择更窄的电压区间范围（2.5～4.0V）[25]。

图3-7　多孔V2O5纳米管的在2.0～4.0V电压区间在1000mA/g下的充放电曲线和循环性能

循环伏安方法是考察物质电化学性能和电化学历程的直接有效方法，所以我们使用循环伏安法对样品进行了表征，扫描速度为0.1mV/s，电压范围2.5～4.0V。如图3-8（a）所示，两对氧化还原峰清晰可见，电压在3.2V和3.4V处出现了的氧化还原峰，可以归因于α-V2O5转化为ε-Li0.5V2O5和δ-LiV2O5，其充放电过程的机理如下所示[26]：

图3-8

图3-8　多孔V2O5纳米管的电化学性能图谱

图3-8（b）显示了多孔V2O5纳米管在电压范围为2.5～4.0V，不同电流密度下的充放电曲线。充放电过程中所展现出的两个明显平台与循环伏安曲线是一致的。在电流密度为0.1A/g时，起始的充放电容量分别为139.8mA·h/g和145mA·h/g，几乎接近了其理论容量（148mA·h/g）。当电流密度增大至6A/g时，该电极材料仍能展现出114.1mA·h/g的比容量。多孔V2O5纳米管不仅具有高的比容量，而且具有好的循环性能。图3-8（c）给出了多孔V2O5纳米管在不同电流密度下的循环性能。电流密度在2A/g时，多孔V2O5纳米管循环250圈仍能保持80.5％的起始容量。当电流密度增加至6A/g时，多孔V2O5纳米管循环250圈仍能保持71.9％的起始容量。图3-8（d）显示了多孔V2O5纳米管在不同电流密度下的倍率性能。值得注意的是，在15A/g的电流密度下，多孔V2O5纳米管仍具有65.2mA·h/g的比容量，201W·h/kg的能量密度和40.2kW/kg的功率密度。这些突出的电化学性能归因于该电极材料的独特多孔纳米管状结构可以提供短的锂离子扩散距离，大的电极和电解液接触面积。

接下来，我们考察了次级V2O5纳米线的电化学性能。图3-9（a）显示了次级V2O5纳米线在电压范围为2.5～4.0V，不同电流密度下的充放电曲线。在电流密度为0.2A/g时，起始的充放电容量分别为116.3mA·h/g和117.6mA·h/g。当电流密度增加至2A/g时，起始的充放电容量分别为91.4mA·h/g和92mA·h/g。继续增加电流密度至2A/g时，起始的充放电容量分别为80.3mA·h/g和82mA·h/g。由图3-9（b）可知，次级V2O5纳米线也具有良好的循环性能，当电流密度分别为2A/g和3A/g时，次级V2O5纳米线循环250圈时仍分别展现出78.1mA·h/g（起始容量的85.4％）和73.4mA·h/g（起始容量的81.6％）的比容量。

图3-9　次级V2O5纳米线不同电流密度下的充放电曲线和循环性能

与多孔V2O5纳米管相比，次级V2O5纳米线展现出稍低的比容量，但却具有较长的循环寿命。这可能归因于V2O5纳米形貌的改变和煅烧温度导致了更有益的晶体结构的形成。为了进一步证实这个原因，我们有必要考察更加高的温度煅烧所产生的单晶V2O5纳米带的电化学性能。从图3-10可知，对于单晶V2O5纳米带虽然在电流密度为2A/g时，起始的充放电容量仅分别为88mA·h/g和100.7mA·h/g，但是经过20圈的活化后[27，28]，其充放电容量分别增加至163.4mA·h/g和161.2mA·h/g。随后的充放电过程中，该电极表现了优异的循环性能，经过了250圈循环，比容量仍可保持137.8mA·h/g。而且单晶V2O5纳米带的测试是在电压范围为2.0～4.0V的条件下进行的，显然，该电极材料的循环稳定性更加优异。

图3-10　单晶V2O5纳米带不同电流密度下的充放电曲线和循环性能

图3-11比较了多孔纳米管、次级纳米纤维和单晶纳米带的循环性能。明显地，单晶纳米带表现出最好的循环性能，此结果证实了我们的假设。为了考察单晶纳米带循环性能优越的原因，我们测试了其循环100圈后的扫描电镜图。由图3-12可以看出，即使循环100圈，该类电极仍保持着比较完好的带状形貌。这些结果证实了单晶纳米带可以有效地抑制电极材料在充放电过程中的体积膨胀和聚集，从而提高了其循环性能[29]。

图3-11　不同电流密度下，多孔纳米管、次级纳米纤维和单晶纳米带的循环性能的比较

图3-12　单晶V2O5纳米带循环100圈后的扫描电镜