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1. 研究目的与意义（文献综述）
随着传统化石能源（煤炭、石油和天然气等）的过度消耗，全球能源结构正在迅速转向清洁和可再生能源，风能、太阳能、可充电二次电源等技术受到了广泛关注。锂离子电池因其高能量密度和稳定的循环性能在问世仅二十年间便占领了便携式电子市场，并在电动汽车领域获得了更广泛的应用[1]。
然而，锂离子电池的致命缺陷在于锂资源的匮乏：锂在地壳中的储量仅为 0.0017%（质量分数，下同）；同时，锂离子电池回收技术的不成熟进一步造成了锂资源的浪费。研究表明，目前已探明可开采的锂矿资源换算成金属锂仅为1500万吨，而1万吨锂仅能满足10万辆电动汽车的使用，这显然满足不了日益发展的动力电池与大规模储能领域的需求[1-2]。因此，寻找清洁高效的锂离子电池替代技术至关重要。
钠、钾和锂属于同一主族，理化性质相似，在电池中表现出相同的“摇椅”式充放电形式。同时，钠在地壳中的储量为2.36%，钾的储量为2.09%[2]，两者的资源丰度远高于锂，这使得发展钠离子和钾离子电池具有巨大的实用价值。钠离子电池在近几年已经取得了迅猛发展[3-6]，钾离子电池虽起步较晚，但研究表明其相比于钠离子电池具有以下几大优势：①K /K 电对的标准电极电势（2.93 V，vs. SHE）比 Na /Na（2.71 V，vs. SHE）低约0.2 V[7]，宽广的电化学窗口带来更高的能量密度；②由于电荷密度较低，K 具有较低的路易酸性和较小的溶剂化离子半径，K 在水/非水电解液中均表现出比Na 更高的离子传导率[8]；③石墨作为电极关键材料已经在工业上发展成熟，K 可以嵌入石墨意味着经过一定改进的锂离子电池体系的材料有望直接应用于钾离子电池[9]，有效减少了研发成本，而相反Na 难以嵌入石墨[10]。综上所述，钾离子电池近年来成为探索电化学储能新体系的热点。
钾离子电池发展的阻碍在于K 半径（1.38 ，1=0.1 nm）远大于 Li （0.76 ），K 在嵌入/脱嵌电极材料时会造成较大的体积变化和结构破坏，导致能量密度急剧降低。因此，许多研究工作已致力于探索合适的阳极材料。其中包括碳质材料，金属氧化物，过渡金属碳化物和硫族化物，金属合金及其复合材料[11]。在这些候选材料中，锑（Sb）由于它具有很高的理论容量（根据合金化反应为660 mAh g-1），独特的褶皱层结构和较低的工作电势而脱颖而出。此外，金属Sb的良好电导率可以促进电子传输。同时，具有低堆积密度的褶皱层结构有利于离子的扩散和结构应变的释放[12]。因此，钾离子电池（KIBs）的电化学反应动力学将得到增强，从而导致极化作用小和速率能力好。 充放电之间的小极化可导致电池的高往返行程效率；降低了电池内部自热的安全风险[13]。此外，负极材料的相对较低的放电平稳期将提高实用KIBs的能量密度。
然而，在钾化/去钾化过程中，Sb的巨大体积变化（约400％）可能会在电极中产生巨大的内应力，从而导致电极材料的粉碎和容量快速衰减。这些问题与最初应用于金属离子电池的LIBs和其他合金型材料中的Si阳极所面临的问题类似[14-15]。因此，在这些领域积累的专业知识可以潜在地用于改善用于KIBs中的Sb基材料。通过结构设计来缓解锑基材料的体积膨胀，其将有望代替碳材料成为下一代负极材料。
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2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
（1）制备三维碳骨架限域锑纳米颗粒电极材料
基于nacl 模板辅助自组装，冷冻干燥和碳热还原等方法，设计制备出一种三维碳骨架限域锑纳米颗粒电极材料。采用非原位xrd、sem、tem、bet和raman等先进表征技术，确定该锑/三维碳纳米材料的形貌特征、化学组成、物相和结构等基本特性。
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，并完成开题报告与英文翻译。
第4-6周：按照设计方案，制备锑纳米颗粒电极材料。
第7-10周：利用xrd（x射线衍射）、sem（扫描电子显微镜）、透射电子显微镜（tem）、x射线光电子能谱（xps）、拉曼光谱（raman）等手段对材料的物相、形貌、元素状态等进行表征，并进行相关的电化学性能测试；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] kim h, kim j c, bianchini m, et al. recent progress and perspective in electrode materials for k-ion batteries[j]. advanced energy materials, 2018, 8(9): 1702384.
[2]liu q, fan l, ma r, et al. super long-life potassium-ion batteries based on an antimony@carbon composite anode[j]. chemical communications, 2018, 54(83): 11773-11776.
[3]peled e, menkin s. review—sei: past, present and future[j]. journal of the electrochemical society, 2017, 164(7): a1703-a1719.
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