1. 研究目的与意义（文献综述）

随着人类社会快速发展带来的传统化石能源的快速消耗,引发的能源危机和温室效应问题日益严重，寻找能够替代传统化石能源的新型能源已成为人们的追求目标，例如风能、太阳能、地热能等清洁能源。虽然这些清洁能源能够极大地缓解能源危机和环境污染的压力，但是容易受到时间和地区因素限制，极大降低其使用效率。以化学储能为代表的锂离子电池因能量密度高、记忆效应小、自放电率低等优势已经被广泛用于移动和静态领域，例如便携式设备，电动汽车，这些领域要求锂离子电池必须具有高标准的能量密度和长期稳定性等优良品质。因此，为满足目前大规模能源储存和运输的要求，锂离子电池的能量密度和功率密度以及使用寿命仍需进一步提高。电池相关技术的革新将会带来巨大突破，目前电池使用的粘结剂、隔膜、电解液、导电剂以及电池外壳等组成部分的技术改进空间有限，对电极材料的改进一直都是科研者的研究热点。电极材料是锂离子电池重要的组成部分，对电池性能起着决定性作用。目前商业化锂离子电池的负极材料主要是石墨，但其理论容量（372 mah g^-1）和体积比容量并不高，极大地限制了其在电动汽车等动力设备上的应用。过渡金属氧化物作为锂离子电池负极由于具有高容量、低成本和制备简单被广泛研究，然而，这些材料在充放电过程中经常遭受较大的体积膨胀造成结构破坏，表现出较低的循环性能和倍率性能，同时在首圈放电中不可逆的电解质分解和固体电解质界面薄膜形成造成较低的库伦效率。

目前科研工作者正致力于将纳米技术应用到锂离子电池中，来解决有关长期存在并阻碍科学发展的技术难题，通过电池与纳米技术结合，构筑纳米结构的电极材料，相比块状微米级电极材料可以更迅速和更充分吸收和释放锂离子，促进活性物质充分反应。其中由于电子被限制在二维环境中以及较大的比表面积，因此二维纳米材料表现出了独特的物理、电子和化学特性，近年来，二维储能材料以其优异的特性在锂离子储能方面展现了良好的应用前景，例如大量的活性位点和锂离子的快速运输，可被设计作为锂离子电池电极材料。目前对此类化合物在电化学储能方面应用的研究较多集中于vopo₄纳米片，并且vopo₄已经被报道具特性。二维层状材料作为锂离子电池负极已经被广泛研究，例如石墨烯及其类似物，过渡金属硫化物（例如mos₂），过渡金属氧化物（例如co₃o₄，mno₂和tio₂）和磷化物，这些材料的容量、循环和安全性能还需进一步改进。同时理想的电极材料设计应该满足材料来源广泛，合成方法简单，无毒和低成本的原则。因此开发具有高倍率、长寿命的新型二维电极材料用于能源储存仍然是一个巨大的挑战。mopo₄类化合物（m=ti，v，nb，mo；x=s，p，as）具有适合锂离子脱嵌的开放的二维结构，每层之间是有po₄四面体和mo₆八面体相互交替连接形成层状结构，同时聚阴离子po₄^3-的存在能够很好的稳定材料结构，但对其它的类似物研究较少。因此，类比vopo₄，nbopo₄纳米片制备及其电化学性能的研究意义在于：（1）目前关于nbopo₄纳米片的研究很少，且制备工艺报道较少；（2）nbopo₄作为锂离子电池负极材料是容量高于商业化石墨的容量；（3）纳米片结构具有独特的纳米效应和快速的离子扩散特性；（4）将nbopo₄纳米片与石墨烯复合可提高材料的导电性，进一步提升电极材料的循环稳定性。因此将nbopo₄作为锂离子电池的电极材料，并对其储锂机制进行研究的工作对于新型二维材料在电化学储能方面的研究具有重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

1. 研究（设计）的基本内容

结合简单的湿化学水热的方法设计构筑nbopo4纳米片结构，研究其化学组成、物相、结构，探究其微晶生长机理和过程；基于nbopo4纳米片结构的电极材料，组装锂离子电池，采用循环伏安、恒流/恒压充放电等方法研究基于nbopo4纳米片结构的锂离子电池充放电容量、大电流充放电性能、循环稳定性等本征特性，揭示基于该电极材料的锂离子电池的储锂机理，并能够对其电化学性能进行提升。

2. 研究（设计）的目标

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅相关文献，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，完成开题报告。

第3-6周：按照设计方案，以五氯化铌和磷酸为基本原材料通过简单的水热法制备nbopo4超薄纳米片。

第7-10周：采用xrd、sem、tem、tg、cv、eis等表征技术对nbopo4形貌、物相和电化学性能进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] patoux s, masquelier c. chemical and electrochemicalinsertion of lithium into two allotropic varieties of nbpo₅[j].chemistry of materials, 2002, 14(5): 2334-2341.

[2]zhu y, peng l, chen d, et al. intercalation pseudocapacitance in ultrathin vopo₄ nanosheets: toward high-rate alkali-ion-based electrochemical energystorage[j]. nano letters, 2015, 16(1): 742-747.

[3]peng l, zhu y, peng x, et al. effective interlayer engineering oftwo-dimensional vopo₄ nanosheets via controlled organicintercalation for improving alkali ion storage[j]. nano letters, 2017, 17(10):6273-6279.