钠超离子导体结构M3V2(PO4)3 (M=Li, Na)的电化学性能优化开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

能源与环境污染问题已经成为全球关注的热点，绿色新能源的开发势在必行^[1]。然而，太阳能、风能等新能源存在时间分布不均匀的特点，需要开发与之相匹配的能源存储器件。锂离子电池作为一种优秀的电化学储能器件，因其能量密度高，单体电压高等优势而被广泛应用于便携式电子设备，并逐渐在电动汽车领域得到应用^[2]。但是，锂元素在地壳中的储量并不丰富，这将导致锂离子电池价格昂贵，并限制其在大规模能源存储中的应用^[3-5]。因此，需要开发原料丰富且能替代锂离子电池的储能器件。

钠元素与锂元素为同主族元素，许多化学性质相似，而且钠元素的储量十分丰富，是锂元素的上千倍^[3-5]。因此，钠离子电池是锂离子电池十分理想的替代品。但由于钠离子半径比锂离子半径大，在电极材料中的嵌入和脱出会引起更大的体积变化，容易使电极材料结构劣化，导致循环性能较差^[6]。此外，钠离子在电极材料中扩散速度较慢，影响电池的倍率性能。因此，需要开发结构更稳定、钠离子扩散速度更快的电极材料。

相对于氧化物，聚阴离子化合物拥有更好结构的稳定，有利于电池的循环性能^[3-7]。目前，已有许多聚阴离子化合物被作为钠离子电池电极材料进行研究，例如na₃v₂(po₄)₃^[8-10]、nafe(so₄)₂^[11]、na₂fe₂(so₄)₃^[12]等。其中，m₃v₂(po₄)₃ (m=li, na) 化合物具有钠超离子导体（nasicon）结构，该结构为开放型网络框架结构具有较大的离子通道而展现出高的钠离子扩散速率。因此，m₃v₂(po₄)₃是一种十分具有潜力的钠离子电池电极材料。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：利用溶胶-凝胶、冷冻干燥等方法制备前驱体；通过固相烧结获得最终产物。

材料表征：对m₃v₂(po₄)₃以及m₃v₂(po₄)₃/石墨烯复合材料进行结构表征和电化学性能测试，通过xrd、sem、n₂吸/脱附、tem、raman光谱等表征手段对其微观形貌结构、物相及元素构成进行分析，并采用循环伏安(cv)、恒流充放电、交流阻抗谱等电化学测试技术对其电化学性能进行系统的评估。

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，了解项目背景、材料合成机理、材料表征手段。确定方案，完成开题报告。

第4－8周：按照预定设计的方案合成钠超离子导体结构m₃v₂(po₄)₃以及m₃v₂(po₄)₃/石墨烯复合材料，并且对其物相、形貌等进行表征。

第9－12周：组装电池、测试电化学性能，探究储能反应机制，并完成相关理论分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] larcher d, tarascon j m, towards greener and more sustainable batteries for electrical energy storage[j]. nature chemistry, 2015, 7(1): 19-29.

[2] goodenough j b, park k s, the li-ion rechargeable battery: a perspective[j]. journal of the american chemical society, 2013, 135(4): 1167-1176.

[3] pan h, hu y s, chen l, room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage[j]. energy environmental science, 2013, 6(8): 2338-2360.