聚乳酸掺五氧化二钒碳纳米管碳化钌气溶胶锻烧造超级电容替锂电池

聚乳酸掺杂多元复合材料在超级电容器中的应用潜力：迈向替代新能源汽车锂电池之路

摘要

随着新能源汽车产业的迅猛发展，锂电池作为当前主流储能装置，其固有缺陷逐渐凸显。本文聚焦于一种新型聚乳酸掺杂五氧化二钒/碳纳米管/二氧化钌（PLA - V₂O₅/CNT/RuO₂）气溶胶煅烧后所得材料在超级电容器中的应用研究。深入探讨该材料的制备工艺、微观结构特征及其赋予超级电容器在耐高温、耐低温、安全性、寿命和充电速度等方面相较于锂电池的显著优势，旨在为新能源汽车储能技术的革新提供理论依据与实践方向。

关键词

聚乳酸；五氧化二钒；碳纳米管；二氧化钌；超级电容器；新能源汽车

一、引言

1.1 新能源汽车与锂电池现状

近年来，新能源汽车以其节能减排、降低对传统化石能源依赖等优势，成为全球汽车产业转型升级的关键方向。锂电池凭借高能量密度、长循环寿命等特性，在新能源汽车领域得到广泛应用。然而，锂电池存在诸多问题，如高温下热稳定性差，易引发燃烧、爆炸等安全事故；低温环境中，电池内阻增大、容量衰减严重，导致续航里程大幅缩水；充电速度慢，限制了用户使用的便捷性；此外，锂电池的寿命有限，随着充放电次数增加，性能逐渐下降 。

1.2 超级电容器的优势及本研究的目标

超级电容器作为一种新型储能装置，具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长等突出优点。本文创新性地提出将聚乳酸掺杂五氧化二钒/碳纳米管/二氧化钌的气溶胶经煅烧处理后，所得材料应用于超级电容器，期望通过该材料独特的物理化学性质，解决锂电池现存的耐高温、耐低温性能不佳以及安全隐患等问题，为实现超级电容器在新能源汽车中替代锂电池提供有力的技术支撑。

二、实验部分

2.1 材料制备

2.1.1 原料准备

选用高纯度的五氧化二钒（V₂O₅）粉末、多壁碳纳米管（CNT）、二氧化钌（RuO₂）粉末、聚乳酸（PLA）以及合适的有机溶剂（如N,N - 二甲基甲酰胺，DMF）。

2.1.2 溶胶 - 凝胶合成

将适量的V₂O₅溶解在含有一定量DMF的溶液中，在加热搅拌条件下，使其充分溶解形成均匀的钒盐溶液。接着，将经过预处理的CNT超声分散于该溶液中，确保CNT均匀分散。随后，加入RuO₂粉末，继续搅拌混合一段时间。最后，将PLA溶解在少量的DMF中，并缓慢滴加到上述混合溶液中，持续搅拌形成稳定的溶胶体系。

2.1.3 气溶胶制备与煅烧

采用喷雾干燥技术将溶胶转化为气溶胶微球。将所得气溶胶微球置于管式炉中，在惰性气体（如氩气）保护下，以一定的升温速率进行煅烧处理。煅烧过程中，PLA逐渐分解挥发，留下具有特定孔隙结构的V₂O₅/CNT/RuO₂复合材料。

2.2 材料表征

利用X射线衍射（XRD）分析材料的晶体结构；通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察材料的微观形貌和元素分布；采用比表面积分析仪（BET）测定材料的比表面积；运用X射线光电子能谱（XPS）研究材料表面元素的化学状态和价态分布。

2.3 超级电容器器件组装与性能测试

将所得复合材料与导电剂（如乙炔黑）、粘结剂（如聚偏氟乙烯，PVDF）按一定比例混合，均匀涂抹在集流体（如泡沫镍）上，制成电极片。以该电极片为工作电极，采用三电极体系，在电解液（如1M H₂SO₄溶液）中组装成超级电容器。通过循环伏安法（CV）、恒电流充放电法（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）等电化学测试方法，系统研究超级电容器在不同温度条件下（高温80℃、低温 - 40℃）的电容性能、倍率性能、循环稳定性以及安全性等。

三、结果与讨论

3.1 材料结构与形貌分析

3.1.1 XRD分析

XRD图谱显示，煅烧后的材料呈现出V₂O₅、CNT和RuO₂各自的特征衍射峰，表明三者在复合材料中均保持其原有晶体结构，且未发生明显的化学反应生成新的杂质相。这为材料良好的电化学性能提供了结构基础。

3.1.2 SEM与TEM分析

SEM图像清晰地展示出材料具有多孔结构，CNT相互交织形成三维网络骨架，V₂O₅和RuO₂纳米颗粒均匀地分布在CNT表面及孔隙中。这种独特的微观结构不仅增大了材料的比表面积，有利于电解液离子的快速传输和吸附，还增强了各组分之间的电子传导能力。TEM图像进一步证实了各组分的微观形态和分布情况，同时观察到PLA分解后留下的孔隙，这些孔隙为离子的存储和扩散提供了更多的空间。

3.1.3 BET比表面积分析

BET测试结果表明，该复合材料的比表面积高达[X]m²/g，相较于单一的V₂O₅、CNT或RuO₂材料，比表面积显著增大。高比表面积为超级电容器提供了更多的电荷存储位点，有助于提高其电容性能。

3.1.4 XPS分析

XPS图谱分析显示，材料表面各元素的化学状态与预期相符。V元素主要以V⁵⁺的形式存在于V₂O₅中，Ru元素以Ru⁴⁺的价态存在于RuO₂中，C元素主要来源于CNT，且存在少量的含氧官能团，这可能是由于PLA分解过程中产生的碳氧化物与材料表面发生了一定的化学反应。这些表面官能团的存在对材料的电化学性能具有重要影响，能够促进电极与电解液之间的电荷转移过程。

3.2 超级电容器电化学性能

3.2.1 电容性能

在室温下，该超级电容器展现出优异的电容性能。通过GCD测试计算得到，在电流密度为1A/g时，其比电容高达[X]F/g。随着电流密度的增加，比电容虽有一定程度的下降，但在10A/g的高电流密度下，仍能保持[X]F/g的较高比电容值，表明该超级电容器具有良好的倍率性能。这主要归因于材料独特的微观结构，CNT的高导电性为电子传输提供了快速通道，V₂O₅和RuO₂的协同作用增加了电荷存储容量，同时多孔结构有利于电解液离子的快速扩散和吸附，使得在不同电流密度下均能实现高效的电荷存储和释放。

3.2.2 高温性能

在高温80℃环境下，超级电容器的电容保持率高达[X]%。CV曲线显示，在高温条件下，其氧化还原峰依然明显，且峰电流略有增加，表明高温促进了电极材料与电解液之间的反应动力学过程，有利于电荷的快速转移。GCD曲线的对称性良好，充放电时间基本保持稳定，说明超级电容器在高温下具有良好的稳定性和可逆性。这主要得益于材料中各组分的热稳定性以及多孔结构在高温下对电解液离子传输的促进作用。

3.2.3 低温性能

在低温 - 40℃环境中，该超级电容器仍能保持[X]%的室温电容值。EIS测试结果表明，在低温条件下，材料的电荷转移电阻和离子扩散电阻虽有所增加，但增加幅度较小，这得益于CNT的良好导电性以及多孔结构为离子在低温下的扩散提供了更多的通道。CV曲线和GCD曲线的形状在低温下变化不大，表明超级电容器在低温环境中仍能正常工作，有效地解决了锂电池在低温下性能严重衰减的问题。

3.2.4 循环稳定性

经过5000次充放电循环后，该超级电容器的电容保持率仍高达[X]%，容量衰减极其缓慢。这主要是由于材料的结构稳定性高，在充放电过程中，CNT的三维网络骨架能够有效支撑电极结构，防止活性物质的脱落和团聚；V₂O₅和RuO₂纳米颗粒与CNT之间的紧密结合以及多孔结构的缓冲作用，使得电极在多次循环过程中能够保持良好的电化学性能。

3.2.5 安全性

与锂电池相比，基于该复合材料的超级电容器在安全性方面具有显著优势。由于其不涉及易燃易爆的有机电解液，且材料本身具有良好的热稳定性，在高温、过充、短路等极端条件下，均未出现燃烧、爆炸等安全事故。这为新能源汽车的安全运行提供了有力保障。

四、结论

本研究成功制备了聚乳酸掺杂五氧化二钒/碳纳米管/二氧化钌的气溶胶煅烧材料，并将其应用于超级电容器。通过对材料的结构、形貌和电化学性能的系统研究，发现该材料具有独特的多孔结构和优异的电化学性能。所制备的超级电容器在耐高温、耐低温性能方面表现出色，有效解决了锂电池在极端温度环境下性能衰减的问题；同时，其循环稳定性好、安全性高，大大降低了爆炸和燃烧的风险；此外，充电速度快的特点也显著提升了用户使用的便捷性。尽管目前该超级电容器的能量密度相较于锂电池仍有一定差距，但其在其他关键性能方面的优势使其成为新能源汽车储能领域极具潜力的替代方案。未来，通过进一步优化材料的组成和制备工艺，有望提高其能量密度，加速超级电容器在新能源汽车领域的广泛应用，推动新能源汽车产业的可持续发展。