1. 目的及意义

能源和环境是当今人类生存与社会发展必须应对的两个重大问题。随着煤炭石油等化石资源的枯竭，温室效应、酸雨等问题使环境日益恶化，发展太阳能、风能和水能等可再生能源已经成为全球性趋势^[1]。与此同时，人们转而积极寻找更为安全可靠、成本低廉的储能材料。目前，锂离子电池仍然是最吸引人的电化学储能装置，尤其是应用在小型便携电子设备中。然而，市售锂离子电池（如钴酸锂电池）价格昂贵，所使用易燃的电解液容易产生安全隐患^[2]。近年来，发展安全可靠、成本低的锌离子二次电池渐渐成了人们研究的热点。

尽管非水性的锂离子电池相对于水性锌离子电池，拥有更高的能量密度。然而锌离子电池由于其廉价、安全、容易制备和循环稳定性高等诸多优点，在大规模电网、大型工业设备中有着广阔的应用前景^[3]。

锌离子电池的负极材料使用的是金属锌，其理论容量高达819 mAh·g^#8722;1，锌也是使用最早、最广泛的一种负极材料。金属锌资源丰富；毒性低, 导电性好；平衡电位低, 氢过电位高^[1]；在水中的稳定性好, 能量密度高。采用的锌负极主要有以下三种：纯锌片电极、粉末多孔锌电极和锌镍合金电极^[4]。

锌离子电池的电解液使用的多为水性的ZnSO₄^[5]、Zn(NO₃)₂^[6]、Zn (ClO₄) ₂^[7]、Zn(CF₃SO₃)₂^[8]等水溶液，其电导率可达到1 S·cm^-1；而锂离子电池普遍采用的是非水性电解液，其电导率只有1-10 mS·cm^-1[3]，因而水系电池通常具有更高的功率密度，也有着更高的倍率性能，且易制取和成本低，适合于大型电网等工业应用中。

综合多价离子的脱嵌特性，可以认为锌离子电池正极材料需要有隧道结构或层间距较大的材料^[1]。目前，报道的锌离子电池正极材料主要有二氧化锰（α-MnO₂^[9]、γ-MnO₂^[10]、钡镁锰矿型MnO₂）、金属铁氰化物（普鲁士蓝衍生物，如KMFe(CN)₆^[11]）、谢弗雷尔相（Chevrel phase）的Mo₆S₈^[12]和五氧化二钒（V₂O₅）等。其中V₂O₅是一种层状结构的金属氧化物，近年来已成为二次电池的研究热点之一，尤其是以V₂O₅ 制备的锂离子二次电池正极材料。

V₂O₅为正交晶系，晶胞参数为：a=11.51 #197;，b=3.65 #197;，c=4.37 #197;,属于Pmmn空间点群。由于具有层状结构，V₂O₅中可以嵌入一定量的小体积阳离子而保持原有的晶体结构不变，因而可作为电池的可逆嵌入电极材料^[7]。锌离子半径(r =0.074 nm)比锂离子(r=0.068 nm)略大些，但它的外层3d 电子使之有较大的变形性, 因而也能够比较容易地嵌入到V₂O₅的层状结构之间，因此锌离子也具备在层状V₂O₅晶格中脱嵌的能力^{[13, 14]}。

目前为止，世界各地的研究者们已通过各种方式制备V₂O₅，并作为正极材料在水系锌离子电池领域有了不少成果：周家宏等^[15]研究了水相介质的Zn/V₂O₅二次电池；陶斌武等^[14] 通过H₂O₂（30 wt.%）氧化金属钒粉末，反应得到红棕色溶胶。加入乙炔黑合成得到V₂O₅: C复合材料悬浊液； Premkumar等^{[16, 17]}通过在碳基体上电化学沉积来制备V₂O₅正极材料；Muhammad等^[5]采用Li₂CO₃和V₂O₅合成得到LiV₃O₈正极材料；Hu等^[18]采用多孔V₂O₅正极，Zn作负极，制备得到了2000循环后仍有80 %容量保持率的锌离子电池；Yan等^[8]利用V₂O₅溶胶、还原氧化石墨烯和NH₄H₂PO₄合成得到V₂O₅·nH₂O/石墨烯正极材料。Dipan Kundu等^[3]报道了一种Zn_0.25V₂O₅·nH₂O，其中钒元素具有两个可供氧化还原的电子，层状结构使之能够容纳二价离子和水分子。

与大多数材料相同，V₂O₅在作为电极材料时同样具有电导率较低的缺点，表现出的倍率性能较差。人们主要提出了以下三种方法对V₂O₅电极材料进行改性：(1) 五氧化二钒材料的纳米化；(2) 五氧化二钒与导电碳材料的复合；(3) 增大五氧化二钒电极材料的层间距。

本课题组设计采用制备粒径细小的水合五氧化二钒（V₂O₅·nH₂O）干凝胶，并包覆乙炔黑作为导电剂，以提升V₂O₅·nH₂O正极材料的导电性。以V₂O₅·nH₂O为锌离子电池正极材料，纯锌箔（99.99 %）为负极，1M ZnSO₄水溶液为电解液，组装成锌离子纽扣电池。后对钒氧化物正极材料的结构、形貌和元素组成进行表征，对锌离子电池进行电化学性能测试。探究影响水系钒氧化物锌离子电池电化学性能的各种因素。