二水合磷酸氧钒的储钙性能及机理研究开题报告

全文总字数：4870字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着煤、石油等化石能源的大量使用，造成了严重的空气污染和温室效应，开发和利用新型可再生能源已然成为共识。然而，太阳能、风能等清洁能源都存在着不稳定、效率低、成本高、存储困难等缺点。因此，开发储能效率高、成本低、环境友好的储能器件尤为重要。近来金属锂电池受到了许多研究者的关注，然而锂的不均匀沉积形成枝晶的问题并没有得到很好的解决。此外，基于嵌入式负极的锂离子电池的能量密度目前已经接近其理论能量密度，很难进一步提高。因此，发展具有高安全性、高能量密度和低成本的新型可充电金属电池对储能领域的发展具有重大的意义。

由于多价离子中每个离子携带一个以上的电子，因此以多价离子为载体的电池（即多价离子电池，如钙离子，镁离子，铝离子和锌离子电池）被认为是具有更高能量密度的新一代储能设备的候选产品，其能量密度有望超过锂离子电池（lib）。在这些多价离子电池中，钙离子电池（cib）可以实现更高的输出电势，因为在多价离子电池ca² /ca的氧化还原电位最低（-2.87 vs. she），接近锂的电位。与mg² ，al³ 和zn² 相比，由于ca2 的离子半径较大，其电荷密度和极化力更低，这意味着ca² 在液体电解质和固体电极中具有更好的扩散动力学。另外，ca是地壳中第五富的元素，具有丰富的储量和低的成本。因此，在多价离子电池中，cibs是非常有潜力的电池系统。

最近，研究人员在钙电解液方面取得了一些重要突破，并且在室温下成功实现了钙金属沉积/剥离。但是，缺少高性能正极材料仍然阻碍了cibs的发展。到目前为止，报道的cib阴极材料包括层状过渡金属氧化物或硫化物/硒化物和普鲁士蓝类似物。在报道的正极材料中，层状钒氧化物由于其大的层间间距而展现出巨大的潜力，并且它们的层间间距可以通过预先插入一些阳离子或小分子进一步调节。但是，层状钒氧化物的工作电势较低（通常小于2.0 v vs. ca² /ca）这将限制实际应用。一些研究人员发现，由于聚阴离子基团和过渡金属元素之间的耦合效应，通过将聚阴离子基团与钒原子连接，可以有效地提高层状钒氧化物的工作电势。因此，vopo₄·2h₂o具有比层状钒氧化物更高的工作电势。此外，vopo₄·2h₂o在mg离子和zn离子电池表现出优异的电化学性能。因此，vopo₄·2h₂o可能是非常有前景cibs的正极材料。因此，本论文拟通过简单的水热法合成vopo₄·2h₂o，利用x射线衍射（xrd）、拉曼光谱（raman）、扫描电子显微镜（sem）和透射电子显微镜（tem）对所得材料的物相、形貌、价键结构进行表征。通过恒电流充放电、循环伏安法及恒电流间歇滴定技术对其储钙性能进行研究。并通过原位xrd，原位raman和非原位x射线光电子能谱（xps）技术深入研究vopo₄·2h₂o的钙离子存储机理。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

（1）材料构筑：通过水热法合成vopo₄·2h₂o；

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，并完成开题报告。

第4-8周：按照设计方案，利用水热法合成vopo₄·2h₂o材料，并通过xrd、raman、sem和tem等表征技术对材料的物相、形貌、价键结构进行表征。

第9-12周：将已制备得到的材料vopo₄·2h₂o制作成电极片，与活性炭布进行组合，组装钙离子电池。通过恒电流充放电、循环伏安法、原位xrd、原位raman以及非原位的xps等技术对其储钙性能及机理进行研究。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] m. wang, c. jing, s. zang, x. song, y. tang and h. m. cheng. reversible calcium alloying enables a practical room-temperature rechargeable calcium-ion battery with a high discharge voltage[j]. nature chemistry, 2018, 10(6): 667-672.

[2] x. xu, m. duan, y. yue, q. li, x. zhang, l. wu, p. wu, et al. bilayered mg_0.25v₂o₅·h₂o as a stable cathode for rechargeable ca-ion batteries[j]. acs energy lett, 2019, 4(6): 1328-1335.