三氧化钨锂离子电池材料
锂离子电池以其容量大、电压高、寿命长等优点，已经成为便携式电子设备主要的电源选择。为了进一步满足人们对更高性能的锂离子电池的需求，寻找具有更优异电化学特性的替代电极材料是一个有效的解决方案。三氧化钨是一种极具潜力的锂离子负极材料，其理论容量高达 690 mAh g-1。纳米尺度的电极材料因为有着较大的比表面积和较小的晶体尺寸，因而能够提供较多的反应活性电位和较短的锂离子扩散长度，从而有利于提高电化学性能。
一、三氧化钨的形貌
下图中显示了三氧化钨纳米花的形貌。如图所示，在较低的放大倍数下可以看到样品的全貌。合成的产物呈现出花状形貌，并且纳米花的尺寸比较均一，纳米花直径在 5 微米左右。从高放大倍数下样品的局部扫描电镜图可以看出构成纳米花的纳米线长度大约几百纳米。
下图是纳米带的形貌。从低倍扫描电镜图片可以观察到纳米带的长度长达十几微米，这些纳米带都是按照一定的方向排列在一起。从高放大倍数扫描电镜图观察到纳米带直径都比较均一，形成带状。
二、三氧化钨锂离子电池性能
1.锂离子电池电极片的制备
为了研究三氧化钨纳米材料的电化学性能，首先要把三氧化钨纳米材料封装成锂离子电池，然后进行电化学性能测试，具体步骤如下：对于粉末状的活性物质，通常需要与乙炔黑（导电剂）、PTFE（粘结剂）按照一定的质量比（7:2:1）进行配置。首先，向研钵里倒入称好的活性物质和乙炔黑，滴入适量 NMP(N-甲基吡咯烷酮)进行研磨。待充分混合均匀后，接着加入 PTFE，继续研磨直至三种物质被充分混合，形成具有一定黏性的均匀分散的浆料。然后将浆料均匀涂覆在铜箔（负极材料）或铝箔（正极材料）的表面，放入烘箱中充分干燥。最后再用冲孔机把铜箔裁成一个个直径 8 mm 的圆片备用。
2.锂离子扣式电池的封装
在完成电极片的准备之后，就可以进行电池封装。涂有三氧化钨材料的电极片作为正极（工作电极），金属锂片作为负极（对电极和参比电极），Celgard2400微孔聚丙烯薄膜作为隔膜，电解液采用 1M LiPF6为溶质，体积比 1:1 的碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）为溶剂。电池外壳采用型号为 CR2032 的不锈钢扣式电池壳，内部使用不锈钢的垫片和弹片作支撑物。封装时，按照从下到上依次为正极壳、三氧化钨电极片、隔膜、金属锂片、垫片、弹片、负极壳的顺序组装成锂离子电池。在电池壳内加入适量的电解液，最后盖上电池壳，使用封口机对电池进行密封。所有的操作均在充满氩气的手套箱中完成，箱体内的氧含量和水含量均严格限制在 1 ppm 以下。封装好的电池，需要静置老化 12-24 小时，再进行电池性能的测试。
三、电化学性能测试
1.充放电曲线
下图显示了三氧化钨纳米花和纳米带两个电极在电压区间为 0.01-3.00 V 范围内，200 mA/g 的电流密度下的充放电曲线。从图中可以观察到，纳米花首次放电容量和充电容量分别是 711 mAh g-1和 196 mAh g-1。纳米带首次放电容量和充电容量分别是 649 mAh g-1和 95 mAh g-1。可以算出纳米花和纳米带的首次不可逆容量损失分别为 72 %和 85 %。造成这一结果的原因是三氧化钨样品在首次电化学反应中发生的不可逆过程以及固态电解质界面膜形成过程中额外的对锂离子的消耗和电解液的分解。第二次循环开始纳米花和纳米带容量几乎没有损失。从图中的曲线可以看出纳米花的充放电容量比纳米带大约高出 50 mAh g-1。从 110 次循环开始，纳米花循环性能要比纳米带稳定。三氧化钨纳米花在循环 180 次之后可逆容量保持在 135 mAh g-1，三氧化钨纳米带在同样的测试条件下可逆容量保持在97 mAh g-1。出现这一现象的原因可能是三氧化钨纳米花的比表面积大于纳米带的比表面积。
2.倍率性能
倍率性能反映了电池在不同电流密度下充放电时的性能。一般来说，电流越大，充放电越快，对电池的充放电就越不充分，实际测得的电池容量相比小电流时便有所下降。因此，倍率性能是衡量电池在大功率工作状态性能优异程度的重要指标。实际测试时，只需要修改恒电流充放电测试时电流值的大小便可以获得一系列数据。下图是纳米花和纳米带不同电流密度下的倍率性能测试图。测试电流密度为 200 mAh g-1、400 mAh g-1、800 mAh g-1和 1600 mAh g-1，然后电流密度依次减小回到 200 mAh g-1。每个电流下测试的循环次数为 10 圈。这种测试方法不仅反映电极材料在不同电流密度下的容量，而且可以显示在大电流充放电之后能否回到最初小电流时的容量。从图中可以看出，纳米花再次回到 200 mAh g-1的电流密度时容量小于最初时的容量。这可能是在大电流密度下充放电时纳米花的体积发生变化。当电流再次回到 200 mAh g-1时，纳米带样品的容量几乎没有发生变化，有很好的容量保持。从图中还可以观察到两者都具有优异的倍率稳定性能。
由此可以得出，两种结构在恒定电流下都有很好的循环能力和稳定性。三氧化钨纳米花在循环 180 次之后可逆容量保持在 135 m Ah g-1，三氧化钨纳米带在同样的测试条件下可逆容量保持在 97 mAh g-1。纳米花的容量高于纳米带的容量，这可能归功于三氧化钨纳米花比纳米带具有大的比表面积。两种结构的倍率性能测试表明纳米带和纳米花都具有很好的倍率稳定性。
