聚吡咯包覆的红磷/碳复合负极材料及其电化学储钾性能开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

近年来,人类过度使用化石能源引起的能源与环境危机严重影响了人类社会的可持续发展,解决这一矛盾重要途径的是使用太阳能、风能、潮汐能等清洁可再生能源。可再生能源存在间歇性和随机性特点,需要高效的储能设备[1]。电化学储能具有方便、高效等优点,被认为是一种较理想的储能方式。然而,由于锂离子电池是电动汽车的主力电源,电动汽车的快速发展加剧了锂资源短缺,推高了锂离子电池的价格,给锂离子电池在电动汽车以及储能系统规模化应用带来挑战,迫切需要开发出无资源限制、能量密度高的二次电池体系[2],以满足日益增长的电动汽车与储能系统的需求。锂离子电池采用非水溶液作为电解质,具有较高的能量效率、长的循环性能、同时具有能量密度充放电倍率高等一系列显著优点,该电池体系自20世纪90年代开始商业化应用以来,已广泛应用于电子产品、电动汽车、规模化储能系统中,然而由于全球锂资源储量的限制(以碳酸锂计大约58兆吨,可开采储量为25兆吨,预计可开采时间不超50年),已严重制约了其在大规模储能领域内的应用,急需开发新一代高能量密度、低成本的储能体系[3]

钠和锂在同一主族,且具有相似的物化性质,自然界中储量丰富,价格低廉,因此钠离子电池被当做最有希望替代锂离子电池的储能设备,得到学术界的广泛关注。但因钠离子半径大(1.02 aring;)和标准电极电势(-2.71 vvs.she)高,钠离子电池的能量密度和功率密度仍然和锂离子电池有较大差距[4]

钾属碱金属元素,其化学性质以及储量与钠元素相似,作为电池材料具有以下优势:①资源丰富,钾资源在地球上的储量丰富,占地壳的2.09%,与钠资源(2.36%)接近,是锂资源(0.0017%)的1000多倍,钾的价格相对锂资源要低很多,目前工业级的钾金属价90000元/吨,钠金属价格21000元/吨,锂金属价格800000元/吨[5];②电极电势低,锂钠钾同属第一主族,在有机非水电解质溶液中,k/k 电极电势比na/na 和li/li 的都要低,例如:在pc溶液中锂钠钾的电极电势(对标准氢电极)高低次:k(#8722;2.88 v)lt;li(#8722;2.79 v)lt;na(#8722;2.56 v)[6],低电极电势有利于提高电池的能量密度[7]。除此之外,由于锂离子电池和钾离子电池的工作原理相似,制作流程也基本一致,因此,原本的制作锂离子电池设备可经过改装后用于钾离子电池的制备。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究目标

  1. 本研究用导电聚合物聚吡咯包覆红磷/碳复合物,制备钾离子电池负极材料。
  2. 研究聚吡咯包覆及其包覆量对红磷/碳负极材料的电化学性能的影响,并简单探讨其作用机理。

2.2 研究内容

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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,了解研究所需实验进程。确定方案,完成开题报告;

  • 第4——7周:合成聚吡咯包覆的红磷/碳复合负极材料;

  • 第8——12周:完成材料的电化学性能测试;

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    4. 参考文献(12篇以上)

    [1] liu d, huang x, qu d, et al. confined phosphorus in carbon nanotube-backboned mesoporous carbon as superior anode material for sodium/potassium-ion batteries[j]. nano energy,2018,52:1-10.

    [2] huang x, liu d, guo x, et al. phosphorus/carbon composite anode for potassium-ion batteries: insights into high initial coulombic efficiency and superior cyclic performance [j]. acs sustain. chem. eng., 2018.

    [3] xiong p, bai p, tu s, et al. red phosphorus nanoparticle@3d interconnected carbon nanosheet framework composite for potassium-ion battery anodes [j]. small, 2018: e1802140.

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