ZnCo2V2O7（OH）2?2H2O高容量鋰離子電池負極材料的設計

祝靈澤 劉軍

摘 要： 為了滿足電子電器市場對高容量鋰離子電池的需求，本工作通過自模板法利用水熱反應和陰離子交換反應制備ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O納米片材料。該材料具有獨特的納米片形貌和優異的電化學性能，可應用于高容量鋰離子電池負極。

關鍵詞： 過渡金屬釩酸鹽;鋰離子電池;負極材料

本工作基于雙過渡金屬元素協同效應設計制備雙過渡金屬釩酸鹽負極材料。制備產物被證明是ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O納米片負極材料，具有優異的電化學性能，如在200mAg-1電流密度下比容量不僅高達1165.4 mAhg-1，并且在循環200圈后更是增加至1208.7 mAhg-1。本工作證明ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O極有潛力應用于高容量鋰離子電池負極材料。

1 實驗

將硝酸鈷、硝酸鋅、氟化銨和尿素以物質的量比為2∶1∶2∶5 稱取并混合，加入35ml去離子水溶解。將透明澄清的溶液轉移到反應釜中密封，并放置在120攝氏度條件下保溫6h后自然冷卻。過濾后得到粉色粉末，置于干燥箱中徹夜干燥。取500mg偏釩酸鈉溶解于去離子水中，后加入200mg干燥后的粉色粉末，轉移到密封反應釜中水熱150攝氏度48h。過濾后干燥得到黃色粉末即為最終產物。

將所得產物進行XRD表征確定物相。利用SEM掃描電鏡對材料的形貌進行表征。組裝成2016紐扣電池進行倍率性能測試和循環充放電測試。

2 結果

本工作成功制備了ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O負極材料。將最終產物進行XRD表征，如圖a所示，該產物的衍射峰與Zn3V2O7（OH）2·2H2O（JCPDS No.87-0417）物相的特征峰一一對應，所以可確定所得材料為ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O。而前驅體和最終產物的SEM圖顯示（圖b和c），前驅體材料為六邊形納米片形貌，材料表面光滑但是邊緣處有些許納米針顆粒，而最終產物則為純粹的光滑不規則的納米片形貌，無其他雜質顆粒。這表明了陰離子交換反應過程中發生了晶體二次生長和熟化過程，結果形成了結晶性較好的納米晶體。超薄的納米片晶體結構則為電化學反應提供了極短的鋰離子傳輸路徑，增強了離子遷移率，這正好解釋了制備電極擁有的優異的電化學性能。

為了探究ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O電極材料的電化學性能，對其進行了倍率性能測試和循環充放電測試。其中倍率性能測試使用0.2-10Ag-1的梯度電流密度，最后回復到0.2Ag-1。由圖d可知，在不同電流密度下，ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O的第二圈放電比容量分別為907.9、800.8、624.6、526.0、454.0、365.5和988.7mAhg-1，表現出了極高的比容量，即使是在10Ag-1的大電流密度下。且在電流密度回復到初始值時，電極的比容量增加至比初始值更高的水平，這表明ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O的優異倍率儲鋰能力，體現了在大電流充放電下的電極結構穩定性。

為了探究電極的循環穩定性，將其在200mAg-1的電流密度下進行充放電測試（圖e）。電極的首圈放電比容量高達1165.4mAhg-1，庫倫效率為74.13%。在循環過程中電極的比容量逐漸增加，這是一個電極材料的活化過程。當循環200圈后，電池的放電比容量增加到了1208.7mAhg-1。這證明了ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O具有優異的儲鋰能力和循環壽命。

3 討論

綜上所述，本工作設計制備了一種新型的ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O 納米片負極材料。該材料被證明具有單一完整的納米片形貌并擁有優良的結晶性。此外由于雙過渡金屬原子的協同效應和釩酸鹽的穩定性以及納米片結構的優越性，該電極材料具有極高的可逆比容量和優異的循環穩定性。所以制備的ZnCo2V2O7（OH）2·2H2O納米片非常有潛力應用于下一代高容量鋰離子電池負極材料。

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*通訊作者： 劉軍。