3.4　一維V2O5納米材料的電化學性能表征

充放電區間是電池測試重要的參數之一，即使相同的材料在不同的測試電壓范圍內也會有不同的電化學性能，主要表現在循環性能和實際比容量的不同。特別是多電子轉移的電極材料，這種現象更加明顯。所以，我們首先測試了多孔V2O5納米管在2.0～4.0V電壓區間的電化學性能。如圖3-7所示，多孔V2O5納米管正極材料展現出了高的比容量（276.2mA·h/g），但是循環后保持率較差，僅有27％。明顯地，雖然寬的電壓范圍能轉移更多的電子，實現更多鋰離子的脫嵌，但是電壓范圍增大后不可逆性增強，電池的放電比容量衰減加劇。這主要是由于V2O5在放電過程中結構發生了多相間的變化，多相間的不可逆可能導致整個電化學過程的不可逆。所以，為了平衡比容量與循環性能之間的矛盾關系，獲得整個性能更優異的結果，我們選擇更窄的電壓區間范圍（2.5～4.0V）[25]。

循環伏安方法是考察物質電化學性能和電化學歷程的直接有效方法，所以我們使用循環伏安法對樣品進行了表征，掃描速度為0.1mV/s，電壓范圍2.5～4.0V。如圖3-8（a）所示，兩對氧化還原峰清晰可見，電壓在3.2V和3.4V處出現了的氧化還原峰，可以歸因于α-V2O5轉化為ε-Li0.5V2O5和δ-LiV2O5，其充放電過程的機理如下所示[26]：

圖3-8（b）顯示了多孔V2O5納米管在電壓范圍為2.5～4.0V，不同電流密度下的充放電曲線。充放電過程中所展現出的兩個明顯平臺與循環伏安曲線是一致的。在電流密度為0.1A/g時，起始的充放電容量分別為139.8mA·h/g和145mA·h/g，幾乎接近了其理論容量（148mA·h/g）。當電流密度增大至6A/g時，該電極材料仍能展現出114.1mA·h/g的比容量。多孔V2O5納米管不僅具有高的比容量，而且具有好的循環性能。圖3-8（c）給出了多孔V2O5納米管在不同電流密度下的循環性能。電流密度在2A/g時，多孔V2O5納米管循環250圈仍能保持80.5％的起始容量。當電流密度增加至6A/g時，多孔V2O5納米管循環250圈仍能保持71.9％的起始容量。圖3-8（d）顯示了多孔V2O5納米管在不同電流密度下的倍率性能。值得注意的是，在15A/g的電流密度下，多孔V2O5納米管仍具有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。這些突出的電化學性能歸因于該電極材料的獨特多孔納米管狀結構可以提供短的鋰離子擴散距離，大的電極和電解液接觸面積。

接下來，我們考察了次級V2O5納米線的電化學性能。圖3-9（a）顯示了次級V2O5納米線在電壓范圍為2.5～4.0V，不同電流密度下的充放電曲線。在電流密度為0.2A/g時，起始的充放電容量分別為116.3mA·h/g和117.6mA·h/g。當電流密度增加至2A/g時，起始的充放電容量分別為91.4mA·h/g和92mA·h/g。繼續增加電流密度至2A/g時，起始的充放電容量分別為80.3mA·h/g和82mA·h/g。由圖3-9（b）可知，次級V2O5納米線也具有良好的循環性能，當電流密度分別為2A/g和3A/g時，次級V2O5納米線循環250圈時仍分別展現出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。

與多孔V2O5納米管相比，次級V2O5納米線展現出稍低的比容量，但卻具有較長的循環壽命。這可能歸因于V2O5納米形貌的改變和煅燒溫度導致了更有益的晶體結構的形成。為了進一步證實這個原因，我們有必要考察更加高的溫度煅燒所產生的單晶V2O5納米帶的電化學性能。從圖3-10可知，對于單晶V2O5納米帶雖然在電流密度為2A/g時，起始的充放電容量僅分別為88mA·h/g和100.7mA·h/g，但是經過20圈的活化后[27，28]，其充放電容量分別增加至163.4mA·h/g和161.2mA·h/g。隨后的充放電過程中，該電極表現了優異的循環性能，經過了250圈循環，比容量仍可保持137.8mA·h/g。而且單晶V2O5納米帶的測試是在電壓范圍為2.0～4.0V的條件下進行的，顯然，該電極材料的循環穩定性更加優異。

圖3-11比較了多孔納米管、次級納米纖維和單晶納米帶的循環性能。明顯地，單晶納米帶表現出最好的循環性能，此結果證實了我們的假設。為了考察單晶納米帶循環性能優越的原因，我們測試了其循環100圈后的掃描電鏡圖。由圖3-12可以看出，即使循環100圈，該類電極仍保持著比較完好的帶狀形貌。這些結果證實了單晶納米帶可以有效地抑制電極材料在充放電過程中的體積膨脹和聚集，從而提高了其循環性能[29]。