铌基氧化物锂离子电池材料的研究进展开题报告

随着时代发展和人类生活质量的提高，人们对储能领域的技术要求越来越高。其中，锂离子电池（libs）由于具有高能量密度、高电压电容、无记忆效应、使用温度范围宽、安全无污染及良好的循环稳定性等优点，成功开启了其商业化的进程，现已成为便携式电子产品及汽车系统的主要电源。^[1-2]锂离子电池中主要由正极、电解液、隔膜、负极、集流体组合而成，负极材料是锂离子电池的核心组成之一，其对锂离子电池的性能有着十分重要的影响。所以，选择性能优异的负极材料是锂离子电池的关键。而一种优异的锂离子电池负极材料，要求其具有较低的元素分子量、低的密度、高的能量密度、低工作电势（相对正极）等特点，从而能够在锂离子嵌入脱出时能够提供足够的空间，并且需要其具有良好的热稳定性、化学稳定性和循环稳定性能。^[3]

目前，锂离子电池的负极材料主要有两大类，一类是碳材料：天然石墨、人造石墨、改性石墨、软碳、硬碳等；一类是非碳材料：金属合金（si基、sn基）、钛酸锂（li₄ti₅o₁₂）、过渡金属氧化物（tio₂、coo、nb₂o₅、cuo、feo、fe₂o₃、fe₃o₄等）。另外，根据材料的储锂机理，锂离子电池负极材料可以分为插入型、合金化型和转换反应型。合金化和转换反应储锂材料具有较高的电化学容量，但是其储锂前后体积变化巨大，导致材料的循环稳定性差，并容易出现安全问题。相对于以上类型的材料，插入型储锂材料一般具有较好的充放电能力和循环稳定性，目前具有代表性的石墨材料已得到广泛商用。^[4]由于其来源丰富，价格便宜，制取容易，性能稳定，在目前的市场上占据主导地位。但是由于其工作电位与金属锂电极非常相近(～0.1 v vs li /li)，容易在嵌入脱出过程中形成锂枝晶刺穿隔膜，导致电池内部短路并引起爆炸。再者，石墨材料的锂离子扩散系数较低，大电流充放电时锂离子不能够快速地扩散，导致其高倍率性能较差。具有良好高倍率性能、储锂可逆性和循环稳定性的钛酸锂（li₄ti₅o₁₂）也是目前锂离子电池负极材料的研究热点之一。由于钛酸锂具有尖晶石结构及内部独特的3d通道，有利于快速的锂离子嵌脱，其较高的工作电位(～1.55 v vs li /li)能有效避免锂枝晶和固体电解质界面膜（sei膜）的形成，大大提高了电池的安全性。同时钛酸锂是一种典型的“零应变”材料，在充放电的过程中晶胞体积不发生变化。但是，由于其理论容量较低(175 mah/g)，使得电池的能量密度大大降低。^[5-6]具有与钛酸锂类似的高工作电位(1.2～1.6 v vs li /li)的铌基氧化物引起了国内外研究人员的关注。

铌基氧化物，包括nb₂o₅，tinb_xo_{2 2.5x}化合物，li（k）-nb-o族，m-nb-o（m=cr、ga、fe、zr、w、v等），由于其固有的结构优点而受到了电化学储能领域的广泛关注，并在过去几年里发展成为锂/钠离子电池、超级电容器和燃料电池技术最重要的材料之一。^[7-9]它们中的大多数具有较高的工作电势（> 1.0 v vs li /li），可以防止sei膜和锂枝晶的形成，从而确保了电池的安全性。在充放电过程中每个nb原子有两个氧化还原电对(nb⁵ /nb⁴ ，nb⁴ /nb³ )对应两个锂离子的嵌入和脱出，使其具有较高的比容量和出色的速率能力。另外，nb基氧化物具有独特的结构优点：内部2d锂离子结合网络、开放且稳定的wadsley-roth剪切晶体结构，这为锂离子提供了更良好的扩散空间并加速其嵌脱过程。大多数nb基氧化物中锂的插入主要受快速锂离子插层赝电容机制的控制，嵌脱前后其结构基本不变（体积膨胀＜10%），体现了其优异的倍率性能和循环稳定性。^[10]这表明铌基氧化物在锂离子电池负极材料的研究领域中更具优势。

2. 研究的基本内容与方案

1.研究（设计）的目标

为了对铌基氧化物电极的进展有清晰的认识，本课题将对铌基氧化物电极的主要材料体系、结构形貌设计、储能机理及相关锂离子电池器件等方面的近年来研究进展进行较为详细的总结，并提出对未来研究的展望。

2.研究（设计）的基本内容

3. 研究计划与安排

1、第1-2周：查阅相关文献资料，了解领域内整体研究现状。确定提纲，完成开题报告。

2、第3-14周：按调研的文献结果，进行综述论文初稿的撰写。

3、第15周：整体修改，完成毕业论文。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 王成,张顾平,李靖.锂离子电池氧化物负极材料研究进展[j].科技风,2015(13):97-98.

[2] 刘雯雯. 锂离子电池新型负极材料一氧化铌及碳化硅的研究[d].中南大学,2014.

[3] 司维. 铌基氧化物储锂与储钠性能及改性研究[d].哈尔滨工业大学,2019.