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毕业论文网 > 开题报告 > 材料类 > 无机非金属材料工程 > 正文

赝电容行为主导的FeP@C纳米盒结构及其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)

随着社会的飞速发展,人们对于能源的需求与日俱增,不管是工业生产还是人类的生存发展,都离不开能源的支持。大量化石燃料的使用不仅带来了严重的环境问题,同时其储存总量的减少又加剧了成本的提升。因此,寻求可持续发展低成本的绿色能源是当今科研工作者面临的重大挑战[1]。目前可用来取代化石燃料的能源主要有核能以及可再生能源。核反应堆虽然能够提供恒定的能量资源,但同时也带来了放射性物质如何妥善处置等长期性的问题。太阳能、风能、地热能、潮汐能等可再生能源虽能提供潜在的清洁能源,但其能量具有间歇性[2]。总之,这些可再生的绿色能源虽然可以缓解能源短缺的状况,但是它们的有效利用在很大程度上必须要依赖于高效的能量存储和转换技术和相应设备[3]

电化学储能技术是能源存储技术(智能电网、电磁波和化学储能)中最方便的一种,而以电池形式存在的电化学能源存储设备具有高功率、长循环寿命等特点,不仅能够作为后备能源服务于国家电网,而且能够广泛地为交通、国防以及消费类电子产品等提供可持续的电源[4-5]。相比于电容器等其它储能设备,电池不论是在科学研究还是商品化使用中都有很大的优势。具有高循环效率、长循环寿命、高能量密度、高功率密度以及环境友好等特点的离子电池技术是储能领域重大的改革[6-7]。可充电锂离子电池具有较高的能量密度和功率密度、无记忆效应等优势,从十九世纪六七十年代开始就得到了广泛的研究。成为便携设备、混合动力电动汽车和并网发电中不可或缺的部分。但是目前,能量密度小于250 wh kg-1的锂离子电池已经不能与实际生活中电动汽车的需求相匹配,相关政策对锂离子电池的性能提出了更高的要求。因此锂离子电池电极材料和体系亟待进一步的深入探究以及发展提升[8-11]

锂离子电池通常由正极材料、负极材料、隔膜和电解质四部分组成。在单体锂离子电池中,通常由研究较为成熟的钴酸锂(licoo2)、磷酸铁锂(lifepo4)、锰酸锂(limno2)等作为正极,聚乙烯(pe)或聚丙烯(pp)作为隔膜,电解液一般由六氟磷酸锂的酯类溶液(lipf6)组成,负极材料通常使用膨胀石墨。然而,石墨的理论电化学比容量只有~372mah/g,远远不能满足动力器件的要求。开发具有高电化学比容量和优异的倍率性能的锂离子电池负极材料一直以来都是能源存储领域的难点和热电问题[12-14]。同时,当实际应用时,电池的使用寿命、使用安全性同样需要被考虑在内。到现在为止,负极材料的研究多集中在以下类型:转化反应型(过渡金属氧化物、硫化物、磷化物等),嵌入-脱出型(钒酸锂),合金化型(硅,锗,红磷等)。嵌入-脱出型材料具有稳定的结构,但是反应动力学慢,电化学容量低(通常小于300mah/g);合金化反应型材料具有较高的理论容量,然而由于电化学反应中会发生较大的体积膨胀、反应电位低以及难以形成稳定的固体电解质界面(sei)等问题,难以实现长久的循环和安全性能的保障。基于转化反应型的过渡金属磷化物材料不仅具有较高的理论容量(大于900mah/g),当结合以一定的导电网络或框架时,可以实现高容量和优异倍率的电化学性能,是实现锂离子电池高性能最有潜力的材料之一。纳米尺寸磷化铁(fep)具有~926.7mah/g的比容量,然而由于电化学反应中的导电性低和体积结构不稳定等问题,一直阻碍着其在锂离子电池中的应用[15-17]。设计合成具有自适应多维纳米结构的fep@c纳米盒结构电极材料是实现其在锂离子电池中获得优异电化学性能的有效策略。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

电极材料制备:采用水热-包覆-煅烧-刻蚀四步法,设计构筑具有自适应结构的fep@c纳米盒电极材料,并掌握其制备的关键技术。

材料性能测试:基于fep@c纳米盒电极材料的锂离子电池组装与测试。在手套箱中组装fep@c/li锂离子半电池,采用蓝电系统、ec-lab电化学工作站等仪器对所制备的fep@c纳米盒电极材料进行电化学容量、倍率性能、循环稳定性等测试,并对测试结果进行分析与讨论。

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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4-8周:按照设计方案,进行相关实验操作,制备出具有自适应结构的fep@c纳米盒电极材料。

第9-11周:采用sem,tem,xps,原位hexrd等测试技术对fep@c纳米盒电极进行各项测试。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] sunh , mei l , liang j , et al. three-dimensional holey-graphene/niobia compositearchitectures for ultrahigh-rate energy storage[j]. science, 2017, 356(6338):599-604..

[2] array of nanosheets render ultrafast and high-capacity na-ion storageby tunable pseudocapacitance:[j]. naturecommunications, 2016,7:12122.

[3] guo d,shibuya r, akiba c, et al. active sites of nitrogen-doped carbon materials foroxygen reduction reaction clarified using model catalysts[j]. science, 2016, 351(6271): 361-365.

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