随着能源转换系统和储能技术不断地发展,各类新型的金属离子电池得到越来越多的关注。其中,可再充水系锌离子电池由于其具有高安全性、低成本、环境友好、组装便利、自然界中锌储量丰富、理论容量大、水系电解液离子电导率较高(10–1-6 S cm–1)等优势,被认为是最有前景的储能元件之一。不断研发高性能的正极材料对于可再充水系锌离子电池的商业应用具有较大意义。目前,钒氧化物材料因其丰富的元素储量、低成本、钒的多价态、理论储锌容量高(589m Ah g–1)等多重优点被认为是最有前景的锌离子电池正极材料。然而,钒氧化物材料存在导电率较低,储能机理复杂并仍然存在争议,锌离子扩散动力学缓慢等问题,从而使得电池的储锌性能不理想。本论文主要通过制备钒酸银@水合五氧化二钒(Ag0.333V2O5@V2O5·n H2O)核壳式同轴纳米电缆结构的复合材料、共轭聚苯胺和水分子共嵌入五氧化二钒得到大层间距玫瑰状聚苯胺插层氧化钒(PVO)结构和多孔碳/水合氧化钒纳米片(PC/V2O5·n H2O)来提高钒氧化物的电导率,锌离子扩散速率和锌离子储存动力学。并对上述材料进行锌离子电池性能测试和储锌机理研究。本文具体开展的研究内容如下:(1)通过简易的一次水热过程得到Ag0.333V2O5@V2O5·n H2O同轴纳米电缆作为水系锌离子电池的正极。这种致密的电极结构在不加入额外惰性组分的情况下保持了最佳的离子/电子传输。该结构是由高电子导电相的钒酸银和高离子导电相的水合五氧化二钒组成,协同形成同轴纳米电缆结构,从而在厚电极中更有利于离子/电子的接触和传输。与纯Ag0.333V2O5和V2O5/V2O5·n H2O电极材料相比,Ag0.333V2O5@V2O5·n H2O同轴纳米电缆具有更优异的锌离子电池性能。这种独特材料构成的致密电极结构展现出高的可逆放电比容量(在0.5 A g–1的电流密度下,放电比容量为312.1 m Ah g–1),优异的的倍率性能(在3.0 A g–1时放电比容量为196.7 m Ah g–1)和稳定的循环性能(在0.5 A g–1电流密度下,100个循环周期后放电比容量为261.7 m Ah g–1)。我们的工作强调通过设计离子/电子导电二元混合物来协同增强锌离子存储性能,提出的有效构建离子/电子传输的厚电极以提高反应动力学的策略,有望应用于其它多价电池中。(2)首次提出了一种共轭聚苯胺插层的策略来改善钒氧化物正极材料的锌离子电池性能。采用原位氧化还原/插层聚合的方法,成功地合成了玫瑰状聚苯胺和水分子共插层的氧化钒(PVO)结构。在苯胺插层的过程中,一部分V5+被还原成V4+,并在氧化钒层间形成聚苯胺。共轭聚苯胺和水分子插层后,氧化钒的层间距由5.77增加到14.02?。PVO作为水系锌离子电池的正极材料表现出极佳的放电比容量(在电流密度为0.5 A g–1时,放电比容量为420.4 m Ah g–1),大大提高了的倍率性能(在5 A g–1和20 A g–1电流密度下放电比容量分别为400m Ah g–1和288.9 m Ah g–1),高容量保持率(在循环600个周期后容量保持率为87.5%)。电化学结果表明,玫瑰状聚苯胺插层钒氧化物结构显示出前所未有的锌离子存储性能,优于大多数客体离子/小分子插层钒基化合物。此外,还提出了独特的插入-转化锌离子存储机制。这项工作强调了通过新型聚苯胺嵌入策略对电子结构,层间间距和微观结构的调节,该策略可以扩展以制造一系列具有特殊结构和新颖形态的功能材料,以用于高级电池应用。(3)使用一种非常简单的磁力搅拌的方法制备了多孔碳/V2O5·n H2O纳米片(PC/V2O5·n H2O)。利用多孔碳纳米片作为支撑骨架,将水合五氧化二钒均匀地负载在多孔碳上。这不仅有效地抑制了V2O5·n H2O的聚集和堆积,而且增加了活性物质与电解液的接触面积,更有利于锌离子的迁移,提高了锌离子电池的电化学性能。正如预期的那样,PC/V2O5·n H2O显示出优异的倍率性能(在高电流密度为20 A g–1时放电比容量为325.3 m Ah g–1),在电流密度同为0.5 A g–1时,比堆叠的V2O5·n H2O(240 m Ah g–1)有更高的放电比容量415.4 m Ah g–1,优异的循环稳定性和容量保持能力(在1000次循环后容量保持率约为97.1%)。对反应机理的研究表明,该反应是可逆的插层&转化过程。这种材料设计方法为实际应用中需要大量制备的多价电池正极材料的设计提供了思路。