Nb2O5纳米线阵列的制备及其电化学嵌锂研究开题报告

全文总字数：5446字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，锂离子电池（lib）和超级电容器（scs）被广泛用于各种应用，例如移动通信、电动车辆、其他电子设备等^[1]。锂离子电池由于电极发生氧化还原反应完成充放电具有较好的能量密度，但导致功率密度低和循环稳定性较差。与锂离子电池相比，超级电容器通过离子吸附和解吸完成充放电而显示出高功率密度和超循环稳定性，但低能量密度限制了它们的广泛应用^[2-3]。然而随着人们对电子设备的要求越来越高，锂离子电池和超级电容器已不能满足高能量密度和功率密度电子设备需求的不断增长。将电池电极与电容电极相结合，构建锂离子混合电容器（lic）是满足未来储能器件的要求的有效办法^[2]。然而，由于lic中的电容电极通过离子吸附/解吸来储存/释放电荷，可以表现出非常高的电荷传导性能; 而锂离子电池电极通过锂离子嵌入存储能量，因此速率性能可能受到固相中缓慢的锂离子扩散的而被限制^[4]。为了解决lic中的动力学不平衡问题，许多研究工作致力于开发具有超高倍率和长循环寿命的锂离子负极材料。根据储锂机理的不同，可以将负极材料分为：嵌入型、合金型、转化型三类，其中嵌入型负极材料可以保证锂离子在活性材料晶格中的嵌入和脱嵌过程中对材料结构造成较小的破坏而广泛应用，其中，过渡金属氧化物由于成本低、容量大、易制备等优点是嵌入型材料中较为常用的 ^[5]。

最近，国内外关于nb₂o₅在锂离子电池、混合电容器和燃料电池等领域的应用研究报道比较多见。正交晶相的nb₂o₅作为一种赝电容材料，用作锂离子电容器负极时优点突出，例如：拥有可防止形成锂枝晶的高电位窗口、在酸性条件下独特的化学稳定性、以及丰富的氧化还原电对（nb⁵ /nb⁴ ，nb⁴ /nb³ ）从而拥有高比容量（高于常规的钛酸锂负极）^[6]，并且其结构中具有便于离子扩散的二维通道，可有效提高材料的倍率性能。但nb₂o₅的不良电子导电性不利于电荷的快速转移。为了解决这个问题，研究者们进行了大量的研究，通过与导电材料（如石墨烯、碳涂层和碳纳米管）进行复合或缩小电极材料颗粒尺寸至纳米级等方法，努力去弥补nb₂o₅的导电性差这一缺陷 ^[7-9]。例如：saharhemmati 等人^[10]将纳米颗粒嵌入氮掺杂微管碳中，中空结构具有丰富的空隙，能够加快电子和离子的传输。材料在1a·g^-1下可以提供370f·g^-1的比电容，以及超过1100次的循环，与活性炭组成的器件具有86.6w·h·kg^-1能量密度和6.09kw·kg^-1高功率密度。此外，近年来柔性和可穿戴性的电子器件如卷起式显示器、太阳能电池和智能手表受到了广泛关注 ^[11-13]。这就产生了对能与之相适应的灵活储能系统的需求。因此，构造高充放电功率和容量的柔性电极材料，已经变得至关重要。考虑到nb₂o₅相对较高的容量（与典型的钛酸锂相比）和优异的循环稳定性，柔性nb₂o₅电极的合成及基于nb₂o₅电极材料的柔性锂离子电容器的研究是非常必要的^[14-15]。这不仅有利于丰富nb₂o₅的电化学应用，还可开发新型高性能柔性电化学储能装置。

碳布具有优良的耐腐蚀性、突出的机械柔韧性和抗拉强度、高的导电率，而且成本低，因此也可以作为柔性锂电池负极的基体材料^[16]。如果能使碳布与nb₂o₅晶体结合，那么两者优缺点互补得到的复合材料必定拥有可观的的性能。lei^[17]等人通过简单的水热方法以及后退火处理,在碳布表面直接生长出三维孔隙结构的t-nb₂o₅纳米棒薄膜。充放电结果表明,该材料表现出优异的高倍率和长循环稳定性。但是该方法制备出的薄膜电极，其负载量较低，当提高负载量时候，材料的倍率性能会受到影响。最近，研究人员发现阵列电极结构可以保证材料在较高负载量下依然具有优异的倍率和循环性能，被认为是解决上述问题的关键。阵列结构在众多的电极结构中显示着巨大的优势^[4]：（1）纳米阵列有着丰富的孔隙结构，利于电解质的快速扩散和与活性物质充分接触，提高了电极比容量；（2）阵列结构中的孔隙能起到应力缓冲作用，能够缓解结构的体积变化，利于稳定的循环性能；（3）提供电子传输的直接路径，使每个纳米结构都能充分参与电化学反应；（4）阵列电极结构相对较薄，有利于正负极电量相匹配。因此本工作拟在碳布上生长出nb₂o₅纳米线阵列以制作用于锂离子电容器的高性能负极材料。

2. 研究的基本内容与方案

本课题的研究（设计）的目标：

（1）掌握在柔性碳布表面原位合成电化学性能优异的nb₂o₅纳米线阵列电极的制备方法；

（2）研究不同退火温度对nb₂o₅纳米线阵列电极的晶型、形貌以及电化学性能的影响，并进一步优化nb₂o₅纳米线阵列电极的合成制备方法；

3. 研究计划与安排

第1-3周：实验前准备，搜集大量与该材料相关的文献资料，总结出制备nb₂o₅纳米线阵列材料的相关方法，制定出明确具体的实验计划。

第4-5周：通过控制变量法进行多组平行实验，在不同实验条件下（如水热时间、水热温度、退火温度等）获得性能最优的nb₂o₅纳米阵列电极。

第6-7周：总结不同实验条件对nb₂o₅纳米阵列电极材料影响的原因，查阅资料并结合实验数据研究其机理，得到制备材料的最佳水热条件。

4. 参考文献（12篇以上）

1. li b , zheng j , zhang h , et al. electrodematerials, electrolytes, and challenges in nonaqueous lithium-ioncapacitors[j]. advanced materials, 2018, 30(17):1705670.1-1705670.19.

2. jagadale a , zhou x , xiong r ,et al. lithium ion capacitors (lics): development of the materials[j]. energystorage materials, 2019.

3. wang h , zhu c , chao d , etal. nonaqueous hybrid lithium-ion and sodium-ion capacitors[j]. advancedmaterials, 2017:1702093.

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