层间距调控VOPO4纳米片的储镁性能动力学文献综述

2020-04-15 21:01:06

1．目的及意义

经济的蓬勃发展使得人类社会面临越来越严峻的能源与环境问题，绿色清洁能源的开发为上述问题提供了行之有效的解决方法，具有十分重要的意义。对清洁能源日益增长的需求推动了对可靠、可持续的电化学储能的追求。在各种储能技术中，可充电锂离子电池是目前最具吸引力的候选者。然而，资源可持续性和安全性以及能源密度不足的问题仍然备受关注，同时引发了社会探索低成本和高能量“超越锂离子”技术，如锂空气电池、钠离子电池以及多价离子电池。在这些“超越锂离子”技术中，由于镁（Mg）的低成本，安全性，无枝晶形成和双电子氧化还原性质，可再充电的Mg²电池被认为有希望成为具有高比容量和高能量密度的下一代二次电池。尽管镁离子电池具有这些潜在优势，然而，具有高极性Mg²的倾向于缓慢的Mg插入/脱出，导致其可逆容量和速率性能都较差，同时Mg²与储镁主体材料之间的相互作用会产生严重的极化阻碍，使得可充镁电池正极材料的发展一直受阻。

得益于有效和简单的离子插入/脱出化学，二维层状材料已被广泛研究用于镁离子电池。在已知的国内外研究中，例如：层状TiS₂在电流密度C/10（12 mA g^-1）和测试温度60℃时，可以提供115mAh g^-1的可逆Mg储存容量；通过氧化萃取制备的立方Ti₂S₄能够在60℃时达到200 mAh g^-1的可逆容量，后续循环中也保持150 mAh g^-1的可逆容量。然而，由于扩散动力学的限制，以上两种层状主体材料都在较高的温度下测量。有意义的是，Yao课题组通过将添加剂（1-丁基-1甲基吡咯烷氯化物，PY14Cl引入电解质中来改变插入的阳离子，在0.1C（24 mA g_TiS2^-1）的电流密度下实现了173 mAh g^-1的可逆容量。

受层间距和插层种类之间关系的启发，尝试层间距离可调、具有高比容量、优异的倍率性能和循环稳定性的新型层状材料是非常价值的。与广泛报道的层状二硫化物相比，VOPO₄作为聚阴离子型层状材料，具有共用VO₆八面体与PO₄四面体共顶相连的结构特征，并被确定为能量储存的替代结构。此外，由于钒离子的五种配位环境，重新堆积层之间的空位配位点可以提供阳离子插层。由于VOPO₄作为锂/钠离子电池的阴极材料具有优异的电化学性能，因此，本项目可以尝试将具有受控夹层间距的坚固结构应用于镁离子电池。这项研究可能为开发可充电多价离子电池开辟一条新途径。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1 基本内容

材料制备：用水热法然后煅烧制备磷酸钒氧，通过超声剥离和自组装的溶剂分子交换法进行对层间距的调控，得到二维VOPO₄纳米片材料；

材料表征：对VOPO₄纳米片材料进行物相组成、结构表征和电化学性能测试，通过XRD、TEM、SEM等表征手段对其形貌结构及元素构成进行分析，并且通过热重分析研究材料的热稳定性和组分含量，最后采用恒流充放电(ET)、电化学阻抗(EIS)等电化学测试技术对其电化学性能进行系统评估。

2.2 研究目标

1、掌握纳米片层状结构的纯相VOPO₄的制备方法；

2、采用结构分析与性能表征技术，分析调控二维VOPO₄材料的层间距结构与电化学性能的关系；

3、提出调控二维材料层间距以提高电化学性能的有效方案。

2.3 技术方案

1、采用水热法然后煅烧的方式制备块状VOPO₄纳米片。将2.5g五氧化二钒(V₂O₅)粉末溶解到57.7ml的去离子水中，然后加入13.3mL浓磷酸，在室温下充分搅拌2h，得到黄色溶液；

将得到的混合溶液转移至100mL反应釜中，置于120℃烘箱加热16h后取出，自然冷却到室温；

将上述混合悬浊液离心分离，并用去离子水和丙酮分别洗样三次，在60℃真空干燥箱干燥，得到块状VOPO₄纳米片材料。

2、通过溶剂离子交换法得到扩大层间距的VOPO₄纳米片。先进行超声分离得到剥离的VOPO₄纳米片，然后加入苯胺进行自组装得到扩大层间距的VOPO₄纳米片。

3、通过XRD、TEM、SEM、XPS、红外等表征手段对二维材料的物相，微观结构及元素构成进行分析。

4、通过ET、EIS等对材料的电化学性能进行系统评估。

3. 参考文献

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