罗文慧 唐艳 梁叔全

摘 要：利用水热法合成以碳纤维布为基底的CuVO3/CFC三维复合材料，制备得到的CuVO3物相纯度很高，且以垂直于轴向的松针状形貌均匀致密的包裹在碳纤维上。CuVO3/CFC用作锂电池电极材料具有高比容量，优异的倍率性能和循环稳定性。

关键词：CuVO3;碳纤维布;电化学性能;锂离子电池

近年来，锂离子电池已经发展成为最具有实用价值的电池体系，特别是在便携式设备、汽车动力装置和大规模电网等方面的发展应用，极大提高能量的存储效率。但是，随着科技发展，对锂离子电池性能的要求也越来越高。为了满足这些要求，必须开发具有更好性能的电极材料。

钒酸盐化合物一般是由钒氧化合物（VxOy）层状骨架和嵌入的金属离子构成，这种层状结构有利于充放电过程中锂离子的嵌入和脱出。碳纤维布（Carbon Fiber Cloth，CFC）的导电性能非常优异，能够为Li+和电子的快速传输提供通道，提高电池的比容量。本文采用水热法制备以碳纤维布为基底的CuVO3/CFC三维复合材料。该三维结构增加了电解液和电极材料的浸润率，缓解了体积膨胀效应，提高了电极的导电率。

1 实验

1.1 三维复合材料的制备

首先，将0.15M氯化铜溶液与0.1M五氧化二钒溶液混合并浸入CFC。随后，将其转移到聚四氟乙烯内衬中。然后在200℃下水热24小时。冷却后，取出CFC，并在70℃下干燥。最后，将CFC在600℃下氩气气流保护中处理2小时，即得到CuVO3/CFC三维复合材料。

1.2 材料的表征

借助X射线衍射分析（XRD）对样品的晶体结构进行分析。利用扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观形貌进行分析。电池的组装是在充满氩气的手套箱中完成的。按照负极壳、锂片、隔膜、三维复合材料和正极壳的顺序组装得到CR2016型半电池。通过多通道电池测试系统和CHI 660E型电化学工作站上测试电池的电化学性能。

2 结果与讨论

如图所示是CuVO3/CFC复合材料的XRD图谱和SEM图片及电化学性能测试结果。如图（a）所示，在2θ=26°位置处的衍射峰来自于碳布，图中其余的衍射峰来自于CuVO3物相（PDF#24-0383），XRD结果表明成功制备了CuVO3/CFC复合材料。[1，2]从图（b）可以看出CuVO3均匀紧密地包裹在碳纤维上。这种复合结构有利于缩短离子的传输距离，增加活性反应位点，进而改善电池的性能。[3]

如图（c）所示，在首圈循环伏安测试中，在0.1V出现的强还原峰，是由于Li+嵌入到碳材料中所引起的。位于0.65V和1.65V（图（c）插图）处的两个弱还原峰，分别是Cu2+还原到Cu和V4+还原到V3+引起。在0.25V处的氧化峰是由Li+从碳材料中脱出引起的。图（d）是CuVO3/CFC电极在0.1Ag-1的电流密度下恒流充放电测试结果。由图可知，CuVO3/CFC首次放电比容量为1830mAhg-1，循环40圈之后比容量为1800mAhg-1，表明了这种材料具有优异的循环稳定性。由倍率性能测试图可知（图（e）），CuVO3/CFC电极具有良好的倍率性能。在0.1，0.2，0.4，1，2Ag-1下各循环5圈之后，当电流密度重新减小为0.1Ag-1时，比容量再次恢复到1723mAhg-1。如图（f）所示，CuVO3/CFC电极在2Ag-1下循环300圈之后比容量仍保持627mAhg-1。

3 结论

通过水热法制备了以碳纤维布为基底的CuVO3/CFC三维复合材料，这种材料具有优异的电化学性能。在0.1Ag-1下，具有超高的比容量，达到了1800mAhg-1，在2Ag-1下循环300圈之后，比容量仍能保持627mAhg-1。此外CuVO3/CFC还具有优异的倍率性能，在0.1，0.2，0.4，1和2Ag-1下各循环5圈之后，当电流密度再次减小为100mAg-1时，比容量再次恢复到1723mAhg-1。

参考文献：

[1]Yu X Y，Feng Y，Jeon Y，et al.Formation of Ni-Co-MoS2 Nanoboxes with Enhanced Electrocatalytic Activity for Hydrogen Evolution[J].Adv Mater，2016，28（40）：9006-9011.

[2]Yu X-Y，Yu L，Lou X W D.Hollow Nanostructures of Molybdenum Sulfides for Electrochemical Energy Storage and Conversion[J].Small Methods，2017，1（1-2）.

[3]Cao X，Pan A，Liu S，et al.Chemical Synthesis of 3D Graphene-Like Cages for Sodium-Ion Batteries Applications[J].Advanced Energy Materials，2017，7（20）.

*通訊作者：唐艳，副教授，博士。