构筑三维Cu3N纳米管阵列亲锂集流体以实现高性能锂金属电池开题报告

全文总字数：5357字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着电池技术的进步，锂离子电池(libs)通过使移动电话、笔记本电脑、无绳电子产品和最近的电动汽车的兴起，彻底改变了现代生活方式。自20世纪90年代锂电池商业化以来，石墨因其低成本和良好的电化学可逆性而被主要用作阳极材料。但由于石墨的质量能密度和体积能密度较低，限制了其应用。因此，有必要开发具有高能量密度的新一代锂二次电池阳极材料。锂金属是一种高容量(3860 mah g¹) 和具有最低的电化学电位(相对于标准氢电极为- 3.04 v)的阳极材料，近年来得到了广泛的研究。尽管锂金属电池(lmbs)具有诸多优点，但由于锂金属阳极的电化学性能较差，锂枝晶生长、体积变化大、寿命差等阻碍了锂金属阳极的实际应用。锂电池中阳极的不稳定性已经成为实现高性能的瓶颈。在此，主要工作是开发高稳定的锂电池阳极，主要包括锂金属阳极、碳基阳极和合金基阳极。在此基础上，确定了其界面工程和结构设计是实现理想阳极的两个重要方向。锂阳极在循环过程中由于反应活性高、体积变化大，产生严重的副反应和结构破坏。由改性电解质原位形成的固体电解质间相与原位人工涂覆层可以增强阳极的界面稳定性。用设计合理的阳极取代普通的锂箔不仅可以抑制枝晶锂的形成，而且可以延缓锂阳极的失效。通过控制阳极界面工程，合理设计阳极结构，是开发高性能锂电池的有效途径。

固体电解质界面 (sei)被认为是锂金属电极表面的钝化层。然而，在电沉积过程中，sei层的物理化学不均匀会引起li/电解质界面电流和li离子流量的不均匀，从而导致li枝晶的生长。新暴露的锂与电解液之间的寄生反应进一步促进了锂枝晶的生长、电解液的持续分解和死锂的生成，导致了电池的库伦效率低、容量损失大、体积变化大。因此，有必要采用导电性高、化学/电化学性能稳定的li保护层来抑制li枝晶的生长，使致密的li镀层成为可能。此外，合理设计li保护层的结构对li金属电极上均匀的li离子通量具有重要意义。为此，人们探索了各种li金属保护层来改善lmbs的电化学性能。

在dongsoolee等人的报告中，为了优化锂电池的性能，解决锂负极的问题，可以构筑三维亲锂骨架。三维亲锂骨架可以缓解体积膨胀，加快锂离子扩散速率。氮化铜的亲锂性有利于形成稳定的sei膜。氮化铜纳米线（cu₃n-nws）可以在li金属表面形成li₃n@cu nws层。li₃n@cu-nws层具有三维孔道结构，有助于形成均匀的li离子流，同时具有较高的li离子导电性。在上述的作用下，li₃n@cu-nws层可以引导li沉积成致密的平面结构，抑制li枝晶生长。具有li₃n@cu nws保护层的li金属在li对称电池中，即使在高电流密度（5.0 macm^-2）和低过电位下也表现出优异的循环性能。构筑三维cu₃n纳米管阵列亲锂集流体对于实现高性能锂金属电池具有重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：利用溶剂反应和退火法制备cu₃n纳米管阵列亲锂集流体结构。

材料表征：对cu₃n纳米管阵列亲锂集流体结构进行结构表征和电化学性能测试。采取非原位xrd、sem、tem、bet、raman等先进表征技术来确定该结构的形貌特征、化学组成、物相以及结构等基本性质，并深入研究和分析cu₃n纳米管阵列结构等与载流子传导、容量衰减等性能的相互关系。

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，利用溶剂反应和退火法制备cu₃n纳米管阵列亲锂集流体结构，并通过采取控制变量的方法，在保证其他条件完全相同的条件下，通过调控纳米管生长环境以获得最佳形貌的cu₃n纳米管阵列结构，并采取非原位xrd、sem、tem、bet、raman等先进表征技术来确定该结构的形貌特征、化学组成、物相以及结构等基本性质，并深入研究和分析cu₃n纳米管阵列结构等与载流子传导、容量衰减等性能的相互关系。

第9－12周：将已制备得到的形貌均一且堆叠方式较好的cu₃n纳米管阵列亲锂集流体电极材料组装成为锂离子电池，利用循环伏安、恒定电流充放电、交流阻抗等测试该电极材料的长循环库伦效率等性能，并研究分析cu3n纳米管阵列亲锂集流体电极结构在沉积/剥离过程中锂枝晶的生长情况。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] mirkin m v,nogala w, velmurugan j, et al. scanning electrochemical microscopy in the 21stcentury. five years after [j]. physical chemistry chemical physics, 2011,13(48):21196-21212.

[2] ramsurn h,gupta r b. nanotechnology in solar and biofuels [j]. acs sustainable chemistry engineering, 2013, 1(7):779-797.

[3] cheng, x. b.;zhang, r.; zhao, c. z.; zhang, q. toward safe lithium metal anode inrechargeable batteries: a review[j]. chem. rev., 2017, 117, 10403–10473.