CoxNi2-xS2@石墨烯核壳纤维的制备及其在水系可充电碱性电池中的应用开题报告

1. 研究目的与意义

对电动汽车和可再生能源存储应用的日益增长的需求，以及对气候变化和污染的日益关注，促使人们寻找操作安全、经济可行和环境友好型的高性能电化学电源^[1-4]。尽管铅酸、镍金属(即镉、铁、锌或钴)、镍氢和锂离子电池等充电电池系统已经在许多技术中广泛使用，但这些系统的固有缺点阻碍了它们在大规模能量存储方面的应用^[5]。例如，铅酸和镍金属电池的比能量密度较低，且使用的是对环境有害的电极材料。由于铁电极的腐蚀和中毒，镍铁电池面临着自放电的挑战^[6-7]。镍氢具有较高的能量密度，但高倍率能力有限，自放电量大，低温能力差^[8-9]。因此具有高能量密度，高安全性和可靠性的电化学储能系统是下一代储能装置的理想选择。锂离子电池由于具有高能量密度和能量效率，以及良好的循环稳定性^[10]，被认为是便携式或电动汽车应用中最有前途的电源。但由于有机电解液的易燃性，以及电极材料在过充电或短路的情况下与有机电解液的反应活性等方面的安全问题还存在不足。关于锂离子电池的另一个挑战是有机电解质有限的离子电导所限制的速率能力和比功率。此外，由于特殊的电池设计、生产工艺要求高、有机锂盐和有机电解液成本较高等原因，锂离子电池的成本较高。将可充电电池系统从有机电解质转向水电解质具有更好的效果，与有机系可充电电池相比，水系电池具有以下优点：(1) 水系电解液具有更高的离子电导率；(2) 更高的安全性；(3)更低的成本。因此引起了越来越多研究者的关注。经过二十多年的快速发展，水系电池得到显著的改进，但在实际应用中，水系可再充电电池在比容量和循环稳定性方面仍不能令人满意。

超级电容器即电化学电容器，是介于传统静电电容器和充电电池之间的具有特殊性能的储能装置。该类电源主要通过电极材料与电解液界面之间的离子快速吸附/脱附（双电层电容）和完全可逆的法拉第氧化还原反应（赝电容）电荷进行电能储存。较之于传统的电容器，超级电容器具有显著的比容量特性，更高的能量密度以及更为长久的使用寿命；而相比于锂离子电池，其具有超强大电流放电能力，更高的功率密度，更快的充电速度，更宽的使用温度范围及安全环保的特点，但能量密度相对较低。基于上述特征，超级电容器的出现与推广，不是为了取代电池，而是与电池互补，应用于辅助峰值功率、存储再生能量、备用电源等方面，在军工工控，电动车辆、智能三表、风力发电、电动工具等领域具有广阔应用前景。

在众多柔性储能器件中，纤维状超级电容器具有充放电速度快、使用寿命长、柔性好、体积小、可编织等优异性能，可有效满足可穿戴设备的应用要求，因此成为当前柔性储能器件研究的重点之一。

2. 研究内容和预期目标

1、石墨烯纤维的制备：采用湿法纺丝制备氧化石墨烯纤维，再通过化学还原得到石墨烯纤维；

2、co_xni_2-xs₂@石墨烯核壳纤维的制备：以石墨烯纤维为工作电极，ni(no₃)₂6h₂o，co(no₃)₂6h₂o和 (nh₂)₂cs为电解液，通过电化学沉积法制备co_xni_2-xs₂@石墨烯核壳纤维，通过改变沉积的时间获得不同沉积量的杂化纤维，考查沉积量对其电化学性能的影响；

3、tio₂@石墨烯核壳纤维的制备：通过水热法制备tio₂@石墨烯核壳纤维，通过改变水热反应的时间和反应物的浓度控制tio₂的沉积量，考查沉积量对其电化学性能的影响；

3. 研究的方法与步骤

(1) 石墨烯纤维的制备：

采用改进的hummers^[11]法制备氧化石墨烯，经水洗后，配制氧化石墨烯纺丝液，从纺丝毛细管中挤出，经空气层后进入凝固浴凝固成胶体纤维，干燥后经过还原制得石墨烯纤维。

所述的采用改进的hummers法制备氧化石墨烯的具体步骤如下：将 12 g 石墨和 6 g nano₃ 加入 350 ml 浓硫酸中，冰水浴冷却至 0°c，待机械搅拌均匀后缓慢加入72 g kmno₄，加入速度以保持反应温度低于20°c为准，继续搅拌 2 h 后升温到 35℃ 氧化 6 小时。缓慢添加 550 ml 去离子水稀释，然后升温至 98 °c 保温 10 min，水浴冷却至室温，继续添加 1600 ml去离子水稀释，搅拌下添加 30 wt %双氧水，直到没有气泡产生为止。将所得亮黄色产物转移到离心管中在 8000 rpm 下进行离心，收集并合并沉淀物。使用 10 %稀盐酸洗涤沉淀，继续离心，然后用无水乙醇洗涤 3遍。最后在 40 ℃ 真空烘箱中干燥 24 小时，得到棕黄色氧化石墨粉末^[6]。

4. 参考文献

[1] yang, x.; cheng, c.; wang, y.; qiu, l.; li,d. liquid-mediated dense integration of graphene materials for compactcapacitive energy storage [j]. science 2013, 341, 534-537.

[2] goodenough, j. b. evolution of strategies formodern rechargeable batteries [j]. acc. chem. res. 2013, 46, 1053-1061.

[3] long, j. w.; belanger, d.; brousse, t.;sugimoto, w.; sassin, m. b.; crosnier, o. asymmetric electrochemicalcapacitors-stretching the limits of aqueous electrolytes [j]. mrs bull. 2011,36, 513-522.

5. 计划与进度安排

（1）第1周-第2周：查阅文献资料，撰写开题报告；

（2）第3周-第6周：设计实验步骤及工艺；

（3）第7周-第11周：完成相关实验；