单分散碳限域Nb2O5微球的可控制备及储锂性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

为了满足便携式电子产品和电动汽车不断增长的市场需求,研究人员致力于开发具有高能量/功率密度和长寿命的先进电化学储能装置。其中,锂离子电池和超级电容器是两种最有前景的化学能储存装置。然而,由于它们的电荷储存机制不同,它们之间存在明显的研究界限。 通常,锂离子电池基于嵌入,转换和合金化机制上能够提供高能量密度但是相对低的功率密度,而超级电容器通过快速物理吸附和浅表面的氧化还原反应,表现出高功率密度和相对良好的循环稳定性,但是只有较低的能量密度。因此,为了满足日益提高的市场需求并克服快速能量存储障碍,开发同时具有高能量密度,高功率密度,长寿命和安全的新型锂离子电池是一个非常具有挑战性的研究方向,而且在不久的将来至关重要。

相较于传统的高比容量的负极材料,五氧化二铌(nb2o5)作为一种赝电容性负极材料,以其脱嵌锂电位高,优异的倍率性能和较高的稳定性吸引了锂离子电池研究者的广泛兴趣。因为五氧化二铌的结构复杂,具有多个晶相(h- nb2o5 ,t - nb2o5,tt- nb2o5 ,b-nb2o5),所以其具体的储锂机制还需要进一步的探究。其中bruce dunn等人提出了一种基于正交晶相(t-nb2o5)的嵌入式赝电容储锂机制,并揭示了在(001)晶面间存在大量的八面体空隙可以不受固态扩散的限制,实现li 快速传输,从而可以在高倍率下实现快速充放电。但是其固有的较低电导率(300k时约3.4x10-6s/cm)和传统方法制备的微米尺度晶粒限制了离子/电子传输,制约了该材料的实际应用。针对以上问题,目前主要的解决方法为:(1)纳米化:基于锂离子嵌入/脱嵌过程以及电子传输在纳米颗粒中有更短的传输路径,比在微米颗粒中更快,有助于提高比率放电能力,并活化绝缘电极材料。(2)提高导电性:包裹导电层或者嵌入导电基质中。因此目前研究者采用的主要方式为:(1)设计不同的介孔纳米结构,如介孔纳米带,纳米片和纳米线等。(2)采用高电导率的碳材料与nb2o5进行复合;例如lee等人通过一种简易的油水混合微乳液法制备了碳包覆的t相和tt相的五氧化二铌纳米晶,其具有较高的可逆容量和良好的倍率性能;duan等人设计制备了三维多孔石墨烯和nb2o5复合结构用于高负载量下的超快锂离子存储;三维多孔石墨烯框架的构筑实现了整个电极材料的良好的离子/电子传输。因此,采用一种简易普适的方法制备独特的碳基nb2o5材料是高性能libs的迫切需要。

本课题基于配位化学合成思路,开发了一种简单、高效的合成方法制备单分散碳限域nb2o5微球。合成的关键步骤是在溶剂热反应过程中由于nb5 与2-甲基咪唑之间发生了配位反应,而形成了均匀的无定形铌基配位化合物微球。2-甲基咪唑作为一种常见配体,可以与许多金属离子在溶剂热反应条件下实现配位;因此,本课题的合成策略具有广泛的普适性并具有应用到多个领域的潜力。此外,后续热处理实现原位碳化所获得的薄碳层和多级结构可赋予nb2o5高导电率和短扩散长度,有助于实现高的倍率性能和提高循环稳定性。

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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:以nbcl5和2-甲基咪唑配体通过溶剂热反应和后续热处理制备碳限域nb2o5材料;

材料表征:对碳限域nb2o5材料进行结构表征和电化学性能测试,通过xrd、tem、sem、xps、raman、红外等表征手段对其形貌结构及元素构成进行了分析,并采用循环伏安法(cv)、恒电流充放电法、电化学阻抗谱(eis)等电化学测试技术对其电化学性能进行了系统评估。

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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4-7周:按照设计方案,制备碳限域nb2o5微球材料。

第8-12周:采用xrd、sem、tem、raman、cv、eis等测试技术对材料的物相、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] z. yang, j. zhang, m. c.kintner-meyer, x. lu, d. choi, j. p. lemmon, j. liu. electrochemical energystorage for green grid[j]. chemical review, 2011, 111(5): 3577-3613

[2] m. armand, j. m. tarascon. buildingbetter batteries[j]. nature, 2008, 451(7179): 652-657.

[3] p. simon, y. gogotsi, b. dunn. where do batteries end andsupercapacitors begin[j]. science, 2014, 343(6176):1210-1211.

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