碳包覆超细铋纳米粉体的制备及储钠性能研究开题报告

全文总字数：3902字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着科技进步和人类社会的快速发展，工业化的进程不断加速，人们对能源的需求不断增长。近些年，煤、石油和天然气等传统化石燃料被大量开采和使用,这些不可再生的化石能源日渐枯竭，能源危机问题日趋严峻。此外，在化石燃料的燃烧过程中，产生大量的粉尘和有害气体，造成严重的环境污染，给生态环境和人们的生活与身体健康带来巨大的危害。能源短缺和环境恶化这两大问题严重制约经济发展和社会进步。因此，人们迫切地需要开发利用清洁高效的可再生能源,如太阳能、风能等。这些可再生能源对环境友好，但这些可再生清洁能源大多有着空间与时间上随机与不连续的问题。

为了合理利用各种可再生能源，众多的储能设备被人们开发利用。电化学储能具有储能密度高、噪音小、使用安全等优势，是一种很有前景的储能技术。其中锂离子电池一经发现，就得到了快速的推广和应用，现已广泛应用于便携式电子工具（笔记本电脑、手机、矿灯、电子表等），交通工具（电动自行车、电动汽车等）、航空航天（卫星、航天飞行器等）、国防（武器装备、单兵电源等）等多个领域。但锂资源快速消耗使其成本上涨，且其低储量不能满足人们对储能的巨大需求。与锂位于同主族的钠是地壳中含量第六丰富的元素，分布均匀，价格便宜，对环境友好。此外，钠不会与铝发生反应，可以采用铝作为集流体，可降低其成本，适用于大规模储能应用。

在钠离子电池的研究中，负极材料主要是为钠离子电池的工作提供可以储存离子的位点和低电位氧化还原电对，是影响其储能密度的重要一环。目前常用的负极材料有碳基材料、合金材料、非金属单质、金属氧化物以及有机化合物等。合金类材料，并不仅限于金属，它包括所有能够与钠离子发生合金化反应的元素。常见的合金类负极材料有si、sn、sb、ge、bi等，其有着容量高、加工工艺简单以及无污染的优势。合金类负极材料普遍存在着循环过程中体积膨胀大导致的结构崩塌、容量衰减问题。其中，铋材料有着比较大的层间距（d(003)=3.95 ），可以在一定程度上缓解其体积膨胀。此外，铋有着高的理论比容量（385 mah g^-1）及独特的合金化能力，是一种很有前景的合金类负极材料。但其依旧存在着充放电过程中体积变化较大的问题，基于此，国内外研究者提出改善电解液，外层直接包覆碳等方法来提高其循环稳定性。但在长循环过程中，铋持续的体积变化不可避免的导致包覆层或sei膜的破损，从而降低其循环稳定性。针对此问题，本文拟通过降低材料尺寸来降低离子扩散路径，采用在外层包覆空心碳层的方式来提供体积膨胀空间，提高材料循环稳定性。

2. 研究的基本内容与方案

1.基本内容

材料制备：1.制备bi₂o₃。选择naoh 和bi（no₃）₃˙5h₂o混合搅拌反应来制备bi₂o₃；2.制备bi₂o₃@ppy。先将1步中得到的bi₂o₃ 与十二烷基硫酸钠和蒸馏水混合均匀后，再加入聚吡咯、过硫酸铵和蒸馏水，反应一段时间后洗涤烘干；3.制备bi@c。将2步得到的粉末在高纯氮气气氛中进行热处理以还原氧化铋。

材料表征：采用xrd、tem等表征样品结构及形貌。电化学性能表征：采用循环伏安法、恒电流充放电等方法测试电池的电化学性能。

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；整理资料，在任务书的基础上，明确研究内容，设计研究方案，确定实验技术路线，了解研究所需原料、仪器和设备,了解相关的结构和性能的测试方法；并完成开题报告；

第4—9周：按照研究方案，完成材料的制备与结构表征；

第9—15周：优化制备工艺，获得具有良好结构的铋负极材料，测试材料的电化学性能；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]. yang h, xu r, yao y, et al. multicore–shell bi@n‐doped carbon nanospheres for high power density and long cycle life sodium - and potassium - ion anodes[j]. advanced functional materials, 2019, 29: 1809195.

[2]. hong w, ge p, jiang y, et al. yolk-shell-structured bismuth@n-doped carbon anode for lithium-ion battery with high volumetric capacity[j]. acs applied materials interfaces, 2019, 11(11): 10829-10840.

[3]. sultana i, rahman m m, chen y, et al. potassium-ion battery anode materials operating through the alloying-dealloying reaction mechanism[j]. advanced functional materials, 2018, 28 (5): 1703857.