碱金属离子掺杂对钒氧化物锂离子电池性能的影响开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

化石燃料的燃烧增加了大气中二氧化碳的浓度从而引发了温室效应，导致了全球变暖问题^[1,2]。因此人们将目光转向了诸如太阳能，风能和潮汐能等可再生能源，这些能源的产生会随着季节，地区等因素的变化而变化，而人类对能源的寻求是持续不断的，所以解决对这些不连续能源的储存问题至关重要。将大型能量存储系统与电网连接，用以存储可再生能源的能量，可以有效得解决这一问题^[3,4]。对于能量存储系统来说，其材料需要满足以下几个必要条件：（1）低成本和维系费用；（2）在长期使用过程中低危险；（3）高的循环容量；（4）长的使用寿命^[5]。

锂离子电池作为20世纪90年代初期出现的可充电电池设备因其高的比容量，高电压和高循环效率而被广泛使用^[6]。但是锂离子电池也有其自身的缺陷，制造锂离子电池的工艺流程非常严格，有机电解液的安全性问题及其价格问题，离子在有机电解液中的传导速度严重限制了锂离子电池的性能。在20世纪90年代末期出现了水系可充电锂离子电池，其使用的电解液位水溶液^[7-9]。相对于有机电解液的锂离子电池，水系的锂离子电池有着一下的优点：（1）相对于非水体系高的离子电导率，因而产生高的容量密度和高的体积密度；（2）即使在过度使用下也没有很大的安全隐患；（3）成本低；（4）对环境污染小^[9]。用于水系锂离子电池的电极材料有LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiCo_0.19Ni_0.81O₂, LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂等^[5]。 γ-LiV₃O₈材料作为水系锂离子电池材料在近几年内被研究，Wang等人以γ-LiV₃O₈作为负极材料，LiMn₂O₄ , LiCoO₂和LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂等作为正极材料在中性的水系电解液中测试^[10-13]，发现容量为70 mAh/g，在100圈循环后的容量保持率仅为50%。进一步探究γ-LiV₃O₈材料性能差的原因，Khler等人通过原位XRD技术发现，γ-LiV₃O₈在电化学循环过程中伴随了结构的改变，同时在100圈循环后形成新的物质，如LiV₂O₅和V₂O₅^[14]。Caballero等人也证明了γ-LiV₃O₈在1M的LiNO₃溶液中时不稳定的，会在循环过程中缓慢溶解^[15]。由于锂钒氧在循环过程中溶于水系电解液，所以考虑将锂离子改作钠离子掺杂，钠离子对锂离子的取代使得Na_{1 x}V₃O₈结构与LiV₃O₈结构近似，计算研究表明Na_{1 x}V₃O₈结构比LiV₃O₈结构具有更好的弹性，这在一定程度上可以缓解碱金属钒氧化物在水系电解液中的溶解问题^[16]。 Nair等人将Na_1.16V₃O₈作为锂离子水系电池的电极材料，它在4M LiCl电解液中表现出了150 mAh/g的容量，而且在100圈循环后仍有75%的容量保持率^[17]。所以相对于LiV₃O₈，钠离子掺杂作为水系锂离子电池的电极材料无疑更具有前景。

为进一步探究钠离子掺杂对碱金属钒氧化物水系锂离子电池的影响，我们采用构建原位单根碱金属钒氧化物纳米线水系锂离子微电池的器件来探究这一深层次的问题，在通过对该纳米线进行循环前后的形貌，结构和性能的对比，帮助我们理解容量衰减和结构劣化的根本原因，从而给大型水系锂离子电池在储能应用方面的研究方面一些有价值的启示。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

材料制备：使用peg，naoh 和v₂o₅等原料通过水热的方法合成相应的钠离子掺杂的钒氧化物纳米线^[18]。通过光刻，蒸镀等试验工艺得到以硅为基板的微纳器件外电极，然后通过匀胶机使纳米线均匀分布于外电极上，之后通过电子束刻蚀的方法构筑内电路，再经过一定的工艺处理即可得到碱金属离子掺杂的钒氧化物纳米线单根电池器件。

材料表征： 对合成的纳米线进行xrd的表征，确定其结构。构筑好单根器件后，对该单根纳米线进行sem形貌的表征和进行i-v测试对电学性能表征，在电解液浸没后进行对该器件的cv，i-v等测试，表征其电化学性能。在循环之后再对纳米线进行sem，i-v等测试，对比电化学过程对纳米线结构与电学性能的影响。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的项目背景，材料合成机理、材料表征手段、器件构筑方法。确定方案，完成开题报告。

第4－6周：按照预定的方案合成电极材料，并且对其进行xrd和sem等物相和形貌的表征。

第7－12周：设计并构筑单根电池测试器件，测试电化学性能，完成理论分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] yang z, zhang j, kintner-meyer m c w, et al. electrochemical energy storage for green grid[j]. chemical reviews, 2011, 111(5): 3577-3613.

[2] meier p j, wilson p p h, kulcinski g l, et al. us electric industry response to carbon constraint: a life-cycle assessment of supply side alternatives[j]. energy policy, 2005, 33(9): 1099-1108.

[3] dunn b, kamath h, tarascon j m. electrical energy storage for the grid: a battery of choices[j]. science, 2011, 334(6058): 928-935.