钠离子电池钛酸钠负极与聚合物电解质一体化研究开题报告
2020-05-02 17:11:18
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 随着人类社会进步，经济不断发展，对能源的需求不断扩大，从而造成环境问题日益严重，气候变暖，化石能源日益枯竭等一系类问题。为了解决这些问题，我们除了要积开发新能源，还需要进一步发展我们的储能技术，以提高能源的利用率[1,2]化学储能装置在我们日常生活中发挥着至关重要的作用，并应用在各个领域如电子设备和电动汽车中 [3]。自从上个世纪锂离子电池问世以来，其凭借高的能量密度等优点受到了广泛关注和大量研究 [4]。 然而随着电动汽车和大型电网等需求的不断增长，锂资源的大量开采，而锂资源储量相对较少，成本将快速增长，并面临开采枯竭的问题 [5]。所以近年来，钠离子电池（SIB）作为替代能源解决方案受到越来越多的关注，因为他们具有相似的电化学新性能，且钠元素储量十分丰富，约占地壳储量的2.64%，分布广泛、提炼工艺简单[1]。目前的关键性问题是开发出一种经济实惠的高效SIB负极，并且可以持久储存大量Na 离子[6, 7]。 钛基氧化物由于其小的结构膨胀、使用的工作电压等优点而被认为是潜在的点击材料。Na2Ti3O7由于其成本低，循环稳定性好，以0.3V(vs Na/Na )为中心的适当电压平台，被认为是一种很有前途的阳极材料 [8]。尽管如此，Na2Ti3O7的离子和电子电导率相对较差并会影响其速率性能。最近，具有短离子传输长度，大接触表面积和稳定结构的二维（2D）纳米片吸引了人们对提高离子电导率的兴趣，具有出色的倍率性能 [9, 10]。 液体电解质在电化学能量储存中发挥了几十年的重要作用，但是使用液体电解质也可带来了泄漏甚至有机电解质燃烧的风险，且不可避免地产生枝晶。然而，报道的固体聚合物电解质离子电导率低和与电极界面差，导致循环性能恶化，同时较差的机械性能也限制了它们发展 [11]。为此，结合液体和固体电解质的优点，凝胶聚合物电解质（GPEs）已经引起越来越多的关注，因为它们不仅可以用作电解质，而且还可以当作来隔膜[12]。由于可加工性的GPE可以使储能装置具有可调整的形状和高度的灵活性，这对于蓬勃发展的便携式和可穿戴式电子产品是有宽阔前景的 [13]。 本实验拟首先制备P(VDF-HFP)基钠离子聚合物电解质，进一步将钛酸钠与聚合物电解质一体化，研究电解质中不同组分比例对电化学性能以及离子电导率的影响，以获得性能优异的钠离子电池负极，为钠离子电池的发展奠定基础。 |
2. 研究的基本内容与方案
一、na2ti3o7纳米片的合成 [3]
1. 将8mm钛片裁剪成30mm*40mm长方形片状，并进行前处理（依次浸泡在丙酮、乙醇、水中超声清洗30min，最后烘干）;
2. 将前处理完的钛片放入装有2m的naoh溶液的内胆中，200℃水热24h，超声清洗表面多余物质，最后烘干。
3. 在450℃ ar/h2气氛下中进一步退火2小时
3. 研究计划与安排
1、第1-2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需条件。确定方案，完成开题报告。
2、第3-14周：按研究方案开展实验，并结合实际情况进行优化和改进；
3、第15周：整理实验数据，完成并修改毕业论文。
4. 参考文献（12篇以上）
| 参考文献 [1] Li H, Wu C, Wu F, et al.Sodium Ion Battery:A Promising Energy-storage Candidate for SupportingRenewable Electricity [J]. Acta Chimica Sinica, 2014, 72(1):21. [2] 程时杰.储能技术在智能电网中的作用[J].高科技与产业化, 2010, 05):52-4. [3] Fu S, Ni J, Xu Y, et al.Hydrogenation Driven Conductive Na2Ti3O7 Nanoarrays as Robust Binder-Free Anodes for Sodium-Ion Batteries [J]. Nanoletters, 2016, 16(7): 4544-51. [4] 张国安.锂离子电池特性研究[J].电子测量技术, 2014, 10):41-5. [5] 王学评,柴新夏,崔文娟.全球锂资源开发利用的现状与思考[J].中国矿业,2014,06):10-3. [6] Osada I, de Vries H, ScrosatiB, et al. Ionic-Liquid-Based Polymer Electrolytes for Battery Applications[J]. Angew Chem, Int Ed, 2016, 55(2):500-13. [7] Torimoto T,Okazaki K-i, KiyamaT, et al. Sputter deposition onto ionic liquids:Simple and clean synthesis ofhighly dispersed ultrafine metal nanoparticles [J]. Applied Physics Letters, 2006,89(24):243117. [8] Park M J, Choi I, Hong J,et al. Polymer electrolytes integrated with ionic liquids for futureelectrochemical devices[J]. J Appl Polym Sci, 2013, 129(5): 2363-76. [9] 陈程成, 张宁, 刘永畅, et al. Na2Ti3O7纳米片原位制备与钠离子电池负极材料应用（英文）[J]. 物理化学学报, 2016, (01):349-55. [10]Rousse G, Arroyo-de Dompablo M E, Senguttuvan P, et al. Rationalizationof Intercalation Potential and Redox Mechanism for A2Ti3O7(A=Li,Na)[J].Chemistry of Materials, 2013, 25(24):4946-56. [11]Tarascon J M, Armand M. Issues and challenges facingrechargeable lithium batteries [J]. Nature (London, U K), 2001, 414(6861): 359-67. [12]Lin T,Chen I W,Liu F,et al. Nitrogen-doped mesoporous carbonof extraordinary capacitance for electrochemical energy storage [J]. Science(Washington, DC, U S), 2015, 350(6267): 1508-13. [13]Cheng X,Pan J, Zhao Y,et al. Gel Polymer Electrolytes forElectrochemical Energy Storage [J]. Advanced Energy Materials,2018,8(7):1702184. [14]Dong S, Wu L, Wang J, et al. Self-supported electrodes of Na2Ti3O7 nanoribbon array/graphene foam and graphene foam for quasi-solid-state Na-ioncapacitors [J]. J Mater Chem A, 2017, 5(12):5806-12. [15]Wang F, Wang X, Chang Z, et al. A Quasi-Solid-State Sodium-IonCapacitor with High Energy Density [J]. Advanced materials, 2015, 27(43):6962-8. |
