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  近日，武漢理工大學麥立強教授和魏湫龍博士（共同通訊）以“Nanoribbons and Nanoscrolls Intertwined Three-Dimensional Vanadium Oxide Hydrogels for High-Rate Lithium Storage at High Mass Loading Level.”為題Nano Energy上發表文章報道了一種新型H2V3O8三維水凝膠結構復合材料。該水凝膠由超薄納米帶和自卷曲納米卷相互交聯組成。當用于鋰離子電池正極材料時，電荷儲存中電容性貢獻大幅提高，表明水凝膠結構對Li+的擴散動力學具有大幅提升作用，從而表現出優異的倍率性能和循環穩定性。進一步基于水凝膠的幾何特性，作者引入了碳納米管（CNTs）組裝柔性薄膜，實現了在高質量負載下（13 mg cm-2）的優異儲鋰性能。

圖一  H2V3O8水凝膠及納米線的合成機理圖及形貌表征

a）H2V3O8水凝膠和納米線的合成機理圖；

b,c）納米線的SEM圖像；

d,e）水凝膠的SEM圖像。

圖二 H2V3O8水凝膠及納米線的XRD, XPS, N2等溫吸脫附曲線

a）水凝膠和納米線的XRD圖譜；

b）水凝膠和納米線V的2p軌道XPS分析；

c）水凝膠和納米線的N2等溫吸脫附曲線。

圖三 H2V3O8水凝膠的TEM，晶體結構分析，水凝膠的結構形成示意圖

a）水凝膠的TEM圖譜；

b,c）納米帶的HRTEM和SAED圖譜；

d）納米卷的HRTEM圖譜；

e）納米帶的AFM圖像；

f）水凝膠的結構形成示意圖。

圖四 H2V3O8水凝膠和納米線的電化學性能表征

a）0.1 mV s-1掃速下的CV曲線；

b）0.1 A g-1的電流密度下的充放電曲線；

c）倍率性能曲線；

d）1.0 A g-1的電流密度下的循環性能曲線；

圖五 柔性H2V3O8水凝膠/CNTs薄膜的制備示意圖和表征

a）柔性水凝膠/CNTs薄膜的制備示意圖；

b）水凝膠/CNTs復合水凝膠的SEM圖

c,d）水凝膠/CNTs薄膜橫截面的SEM圖；

e）水凝膠/CNTs薄膜的倍率性能；

f）水凝膠/CNTs薄膜在不同的電流密度下的充放電曲線；

g）水凝膠/CNTs薄膜在4.0 A g-1的電流密度下的循環性能曲線；

h）水凝膠/CNTs薄膜的面積比容量vs.面積電流密度曲線

  該研究利用普適的液相剝離法（包括Li+, Na+, K+, Mg2+, Mn2+, Cu2+ 和 Fe3+均可用于釩氧化物水凝膠的制備）首次的制備了由納米帶和納米卷相互交聯形成的釩氧化物水凝膠。當用于鋰離子電池正極材料時，測試結果表明對Li+的擴散動力學具有大幅提升作用，表現出優異的倍率性能和循環穩定性。結合其獨特的三維結構特性，進一步與CNTs復合制備了無粘結劑的柔性薄膜，大幅提升了材料的電化學性能。即使在高負載下，該薄膜仍具備有優異的儲鋰性能：當負載量為13 mg cm?2時，其面積比容量高達2.70 mAh cm?2（電流密度為0.91 mA cm?2），同時兼具優異的倍率性能（18.2 mA cm?2的面積電流密度下面積容量為1.16 mAh cm?2）。

  這一工作中組裝復合水凝膠的方法普適性高，有望拓展至其它超薄材料的合成構筑。此外，本工作實現了釩氧化物電極材料在高質量負載下的優異電化學性能，為實際應用提供了可能。

  論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517304809