水系锌离子电池正极材料V6O13的合成及其电化学性能研究开题报告

全文总字数：5863字

1. 研究目的与意义（文献综述）

伴随着世界经济的快速发展，各国对于能源的要求日益增高。近年来，开发具有高能量密度，功率密度和安全性的高效电化学能量存储装置的需求变得越来越迫切。虽然目前高能量密度的锂离子电池占据了大部分商用充电电池市场，但是几个关键因素，如锂资源匮乏、制作成本高、有机电解液不安全等，限制了它们的进一步发展，特别是在大规模储能系统的应用方面。经研究发现，可充电水系锌离子电池(ZIBs)具有成本低、运行安全性高、环境友好等优点，在大规模储能系统的应用上具备明显的潜力。近几年，钒氧化物作为水系锌离子电池正极材料而被广泛研究，主要原因是钒元素是一个多价态的金属元素，其化学性质非常活跃，价态可以从 2到 5；其次钒氧化物有多种氧化态，并且容易发生连续的变价，但是微观结构不稳定，相态也会有突变，对于本来有晶格缺陷的样品，有可能会产生结构的塌陷。这样便形成了开放式的晶体结构，为离子脱嵌提供了有利通道。其中V₆O₁₃具有合成容易，放电电压范围宽，循环寿命长，热稳定性好等优点，可以作为理想的ZIBs正极材料。其合成方法和制备工艺决定了材料的形貌、粒度及粒度分布、比表面积、结晶度和结晶态、晶格缺陷等性质。这些物理及化学性质对材料的充放电容量和循环可逆性能等有着决定性的影响。自从Murphy首次报道以V₆O₁₃作正极材料以来，国内外许多学者对V₆O₁₃作为水系锌离子电池的正极材料而做了大量的研究。目前的研究有基于V₆O₁₃形貌的特点，通过不同的合成方法合成不同形貌的V₆O₁₃材料，从而分析其对水系锌离子电池循环性能的影响；此外，除了调整合成方法，改善正极材料的形貌特点外，许多学者也还纷纷研究了不同种类的掺杂离子对V₆O₁₃晶格的影响，从而研究掺杂对改善电池工作性能的影响。

本项目研究则是基于目前V₆O₁₃的研究现状，主要是采用简单的水热合成方法合成V₆O₁₃纳米材料并对其进行电化学研究。采取SEM,TEM和XPS等先进表征方法，观察样品形貌及晶体结构特征，并分析在电池充放电过程中，锌离子在正极材料中的嵌入/脱出行为，探讨V₆O₁₃作为水系锌离子电池正极材料时的循环性能和倍率性能，深入探究V₆O₁₃晶体材料作为水系锌离子电池正极材料的反应机理。该研究为水系锌离子电池的开发应用奠定理论基础。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

1.利用水热法制备v₆o₁₃纳米材料。采用sem、xrd等先进表征技术来确定材料的形貌特征、化学组成等基本性质。将已制备得到的v₆o₁₃纳米材料作为水系锌离子电池的正极材料组装电池，利用循环伏安、恒定电流充放电等技术测试该电极材料的循环和倍率等性能，并从晶体结构的角度分析其优良性能的原因。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，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。

第4－8周：按照设计方案，利用水热法制备v₆o₁₃纳米材料。采用sem、eds、xrd等表征技术来确定材料的形貌特征、化学组成等基本性质。将已制备得到的v₆o₁₃纳米材料作为水系锌离子电池的正极材料组装电池，利用循环伏安、恒定电流充放电等技术测试该电极材料的循环和倍率等性能，并从晶体结构的角度分析其优良性能的原因。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] wei meng,roberta pigliapochi, paul m. bayley, et al. unraveling the complex delithiation and lithiation mechanisms of the highcapacity cathode material v₆o₁₃[j].chemistryof materials.2017, 29(13):5513-5524.

[2] k. h. xue, h.yang, y. m. zhou, and g. li,et al. a studyof the zn/ v₆o₁₃ secondary battery[j].journal of theelectrochemical society. 1993,140(12):3413-3416.