用于锂硫电池的钛氧化物的制备开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着科学技术的不断发展和人民生活水平的提高,人们对二次锂电池的发展提出了更高的需求,尤其在智能通讯和电动汽车领域的潜在市场需求,发展具有更高能量密度的二次电池体系的任务十分迫切。从电化学角度考虑,多电子反应材料体系是构建高比能二次电池的基础,其中,锂/硫电池是一个很好的例证。锂硫电池主要由正极、黏合剂、电解质、隔膜和负极组成。硫元素特殊的结构及电化学性能,使其被广泛用作电池正极材料。硫元素是一个由八个硫原子组成的冠状结构,这导致它的热动力学性能十分稳定。硫元素高的充放电性能与 s8 分子中硫硫键长的断裂和重组有关,在放电过程中,每一个硫原子转移两个电子,电子转移数比锂硫电池充放电过程的金属离子还多。并且在自然界中储存了大量硫,硫也具有无毒和成本低等优点,使它成为一种最佳电池的正极材料。锂硫电池在理论上具有相当高的能量密度,但是其容量的衰减迅速,且锂硫电池存在硫正极电导率低、多硫化物溶解造成活性物质流失和锂负极活性降低、硫在放电过程中体积发生膨胀等问题,束缚了它在实际中的运用。

含有o2-阴离子的纳米金属氧化物通常具有很强的极性表面,由于氧和金属之间的强结合,金属氧化物不易溶于大多数的有机溶剂。与纳米结构碳材料相比,金属氧化物为多硫化物的吸收提供了丰富的极性活性位点。由于其内在缺陷和独特的带结构,金属氧化物具有更好的导电性。此外,氧化物能够显著增加锂硫电池的体积能量密度。tio2是天然存在的钛的氧化物,具有较好的极性表面,能够广泛用在锂硫电池正极中。具有不同形貌的纳米结构tio2先后得到研究,发现其用作锂硫电池正极能够极大改善电池性能,例如介孔中空tio2球体、纳米颗粒、纳米管等。guo制备出了载硫的介孔tio2球,所制备的介孔tio2球体具有较大的孔体积,这提供了充足的内部空间用于储存硫,同时也为电池反应提供了巨大的反应界面,加快了电子传输。受tio2的启发,随后研究人员提出了将ti4o7用作锂硫电池的正极材料添加剂,并证明了ti4o7在用于锂硫电池正极材料添加剂时能够有效改善电池性能。caruso通过原位碳热还原法制备出了介孔的magnéli相ti4o7微球,它们具有相互连接的介孔(20.4 nm)、较大孔体积(0.39 cm3·g-1)和较高的比表面积(197.2 m2·g-1)。用原位碳热还原法可以合成介孔的magnéli相ti4o7微球,当硫阴极嵌入介孔magnéli相ti4o7微球的基体中时,中等倍率(c/10)下表现出优异的可逆比容量(1317.6 mah·g-1),400次循环后仅衰减了12%。

本课题采用多孔钛氧化物作为主体,在其丰富的纳米级孔道中引入硫单质,以改善材料的电化学性能,发展新型储能材料的新制备技术。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:采用不同摩尔比的还原剂制备钛氧化物,通过比较确定出最佳摩尔比。用不同温度下制备出的钛氧化物与硫进行复合得到锂硫电池电极材料,然后制作成扣式电池。

材料表征:观察不同温度下制备的钛氧化物结构与形貌;采用xrd、fesem、tg-dsc、cv等测试技术对tixoy/s复合材料的物相、显微结构、电化学性能进行测试。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第3-8周:按照设计方案,制备钛氧化物掺杂的s/hgs复合材料,并进行纽扣电池的组装。

第9-11周:采用xrd、fesem、tg-dsc、cv等测试技术对复合材料的物相、显微结构、电化学性能进行测试。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]chengyin fu, juchen guo. challenges and current development of sulfur cathode in lithium–sulfur battery[j]. current opinion in chemical engineering. 2016, 13:53-62.

[2]hongwei chen, changhong wang, weiling dong, et al. monodispersed sulfur nanoparticles for lithium#8722;sulfur batteries with theoretical performance [j]. nano lett. 2015, 15, 798#8722;802.

[3]xiao liang, chun yuen kwok, fernanda lodi-marzano, et al. tuning transition metal oxide–sulfur interactions for long life lithium sulfur batteries: the “goldilocks” principle [j]. adv. energy mater. 2016, 6, 1501636.

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