钒基分级异质纳米线及其储锂机制的原位研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着石油危机的日益严峻，便携式能源体系，尤其是车载能源体系面临挑战。锂离子二次电子作为一种较为成熟的小型便携式能源体系，被认为有望取代石油，成为下一代车载能源^[1-4]。但在锂离子电池正极材料方面，现有电极材料LiCoO₂、LiFePO₄的充放电容量较低，难以实现快速充放电。因此需要开发新型正极材料，来满足对电池高容量、高功率的需求。在所有的正极材料中，V₂O₅^___一种典型的层状过渡金属氧化物，在近几十年里获得了很大的关注。V₂O₅的理论容量相对较高，原材料丰富，成本低。当两个单位的锂离子嵌入到V₂O₅时，可以获得高达294 mAh/g的比容量，这使得它比许多常规正极材料更加突出，比如LiCoO₂ (140 mAh/g), LiMn₂O₄ (148 mAh/g)和LiFePO₄ (170 mAh/g)。然而，V₂O₅的结构稳定性差、离子电导率和电子电导率低、电化学动力学慢，这些会导致其倍率性能差，循环寿命短，阻碍了其在锂离子电池中的商业化应用^{[5, 8-12]}。

大量的国内外科研人员正在努力地工作^[1-7]，以期解决这些障碍。许多纳米结构的V₂O₅正极材料被合成出来，虽然合成策略不同，但大多数都展现出优异的电化学性能^[8-9]。这是因为纳米级活性材料与电解液之间的有效接触面积更大，锂离子的迁移路径更短。介孔和中空结构的V₂O₅正极材料也被大量合成出来，并呈现出令人满意的结果^[10-12]。这很可能因为孔或空隙结构的应力缓冲作用和上面提到的两种可能的原因。一些其他的研究者合成了多种多样的与石墨烯或者碳纳米管等复合的钒基材料，它们都具有很好的电导率和机械强度。正因为如此，这些复合材料拥有了良好的导电网络和抑制循环过程中的结构破坏的缓冲结构，并因此得到比单一V₂O₅更好的电化学性能^[13-17]。还有另外的一些研究者们通过掺杂金属离子或是合成其他结构的方法，在一定程度上也提高了V₂O₅的性能^[18-19]。而在所有被报道过的结构中，三维分级异质结构也同样有益于提高锂离子/钠离子和超级电容器的电化学性能^[20-25]。

分级异质结构中的异质层，既可以增加本体材料的电子电导率和离子电导率，也可以抑制本体材料的结构破坏，同时在充放电的过程中具有缓冲作用，可降低材料结构的破坏^[20-22]。鉴于此，我们提出一种构筑分级异质结构的策略来提升V₂O₅在充放电循环过程中的循环稳定性和容量保持率。在具体实施中，采用离子浸泡法及结合后续的烧结过程，首先制备出V₂O₅@NaV₆O₁₅和V₂O₅@KV₆O₁₅分级异质纳米线；然后，对其结构做详细的表征；最后，组装成锂离子电池，对其进行电化学性能测试，探索其结构与性能的相关性。同时，采用原位XRD技术，原位检测材料在充放电过程中的相变，探索其储锂机制。本课题提出一种简单易行且有效的构筑异质结构的方法，该策略也具有广泛的普适性，并具有应用到多个领域的潜力，为异质结构及储能材料的可控制备奠定一定的科学基础。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：以钒氧化物为客体材料，制备v₂o₅@nav₆o₁₅和v₂o₅@kv₆o₁₅分级异质纳米线；

材料表征：对v₂o₅@nav₆o₁₅和v₂o₅@kv₆o₁₅分级异质纳米线进行结构表征和电化学性能测试，通过xrd、sem、tem等表征手段对其形貌结构及物相构成进行分析，并采用循环伏安(cv)、恒流充放电(et)、电化学阻抗谱（eis）等电化学测试技术对其电池性能进行了系统测试。

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，制备v₂o₅@nav₆o₁₅和v₂o₅@kv₆o₁₅分级异质纳米线。

第9－12周：采用xrd、fe-sem、cv等测试技术对v₂o₅@nav₆o₁₅和v₂o₅@kv₆o₁₅分级异质纳米线的物相、显微结构、电化学性能进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] peter g. bruce1, stefan a. freunberger1, laurence j. hardwick1. li-o₂ and li-s batteries with high energy storage [j]. nature materials, 2012, 11: 19-29.

[2] genqiang zhang, xiongwen lou. general synthesis of multi-shelled mixed metal oxide hollow spheres with superior lithium storage properties. angewandte chemie. 2014, 126: 9187-9190.

[3] 毕道治. 大容量高功率锂离子电池研究进展 [j]. 电池工业, 2008, 2: 114-119.