超薄钙钒酸盐(CaV8O20)纳米带的一步水热法制备及其固态超级电容器应用研究

为解决钒氧化物在超级电容器应用中电子传输受限、离子迁移缓慢及循环稳定性差等问题，研究人员通过一步水热法合成超薄一维CaV8O20纳米带。该材料展现出653 F g?1的高比电容（0.5 A g?1），组装的CaV8O20//AC器件实现57.68 Wh kg?1的能量密度和86%的15,000次循环容量保持率，为下一代钒基储能器件开发奠定基础。

　　

随着便携式电子设备和混合动力汽车的快速发展，高性能储能技术的需求日益迫切。超级电容器(Supercapacitor)因其高功率密度和长循环寿命成为研究热点，但其能量密度远低于电池，限制了实际应用。钒氧化物凭借多价态(V⁵⁺–V²⁺)和层状结构成为潜力电极材料，但本征导电性差和循环过程中的结构坍塌严重制约其性能。为此，来自印度和中国的合作团队通过Ca²⁺预嵌入策略，开发出具有革新性的一维超薄CaV₈O₂₀纳米带，相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。

研究采用水热法(Hydrothermal synthesis)结合超声预处理，通过调控CaCl₂浓度和反应温度（180°C/48h）实现纳米带可控生长。利用X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)表征晶体结构与形貌，采用三电极体系测试电化学性能，并通过组装纽扣电池验证实际应用潜力。

结果与讨论部分揭示：XRD证实产物为纳米晶结构的CaV₈O₂₀（对比α-V₂O₅标准卡片），FESEM显示其宽度50-100nm的超薄带状形貌。形成机制分析表明，超声破碎V₂O₅颗粒后，Ca²⁺插入V-O层间引导一维生长，最终结晶为纳米带。电化学分析显示，在1M KCl电解液中，材料呈现典型赝电容行为，0.8V电压窗口内氧化还原峰明显。恒流充放电测试得到653 F g^?1的比电容（0.5 A g^?1），优于多数报道的钒酸盐材料。器件性能方面，CaV₈O₂₀//AC非对称超级电容器实现57.68 Wh kg^?1的高能量密度（功率密度5565.21 W kg^?1），15,000次循环后容量保持率达86%，凸显Ca²⁺稳定层状结构的作用。

该研究通过简单的合成方法获得性能优异的电极材料，Ca²⁺预嵌入不仅扩大层间距促进离子扩散，还通过电荷补偿效应抑制钒溶解。作者Prashant K. Bankar等指出，这种设计策略为开发兼具高能量/功率密度的钒基储能器件提供了新思路，对推动固态超级电容器商业化具有重要价值。