层间距扩大的碳材料用于钾离子电池负极材料开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

锂电池由于具有能量密度高、长期稳定性好、安全性好等优点,在过去的几十年里被广泛应用于电力储能设备中[1]。然而,锂元素的大量应用,尤其是电动汽车锂电池的大量应用,使得原本就非常有限的锂资源消耗加剧,使得锂电池成本大幅升高。全球锂资源基础储量(碳酸锂计)约为58 m吨可开采储量约为25 m吨,且锂矿资源分布不均匀,更加可能导致锂资源的垄断高价。这一危机促使锂替代电池的开发及探索,如钠电池、镁电池、钾电池[2]

在锂电池的相关研究中,碳材料被证实具有电导率高、储锂能力强、成本低等优点[3]。钾元素与锂元素同属于碱金属,第一主族,化学性质相似,钾资源基础储量比较充足,现已查明的储量为167亿吨可供世界开采300年以上。钾单质的生产提纯也早已工业化规模化,这使得钾离子电池成为替代电池在资源丰度上是可行的。钾离子电池的研究可能会使电力储能成本大大降低。但是锂位于第二周期,钾位于第四周期,这一差别使得二者离子半径大为不同。钾离子半径(1.38 a)远远大于锂离子半径(0.76 a),粒子半径的差别也使得钾电池,电化学反应动力学延缓[4]

在钾电池的研究中,研究人员发现碳材料依然是最有发展潜力的电极材料[5],但是,钾离子扩散动力学抑制了相关研究的进展[6]。研究人员设想通过扩大电极材料的离子传质通道以使钾离子由于离子半径大受限的矛盾得到缓解。相关研究人员发现掺杂含杂原子可以改变它们的电化学和物理化学性质,从而进一步改善电极材料的电化学性能[7]。通过原子掺杂,可以提高碳的电子传导性并在碳骨架中产生更多的活性位点[8]。这一发现在改进碳材料的电化学性能的研究中被广泛采用,并且在电力储能系统中已经实现了相应反应活性的改善[9]。这些研究已经获得了一定的成果,但是还有很大的改进空间。

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2. 研究的基本内容与方案

在高温下处理碳材料,在其中掺杂磷原子,从而扩大碳材料的层间距,用作钾离子电池阴极,以获得大倍率·、高循环、低成本的钾离子电池

2.2 研究目标:

  1. 探究在碳架中掺入磷原子与氮原子对钾离子电池性能的影响

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    3. 研究计划与安排

    第1—3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需药品、仪器。确定方案,完成开题报告

    第4—5周:完成pn掺杂有序介孔碳(pnomcs)的制备

    第 6 周:完成电池的制备

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    4. 参考文献(12篇以上)

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    [1] 张鼎. 钾离子电池研究进展 张鼎. [j]. 2018.

    [2] li y, yuan y, bai y, et al. insights into the na storage mechanism of phosphorus-functionalized hard carbon as ultrahigh capacity anodes[j]. advanced energy materials, 2018, 8(18).

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