少层锑烯的微波快速剥离和电化学性能研究开题报告

全文总字数：6416字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着社会和经济的快速发展，日益剧增的能源需求和严峻的环境失衡等问题使得清洁、可再生新能源的发展和利用变得极为迫切。然而，风能、太阳能、潮汐能等可再生能源存在随机性和间歇性特性，促使高效储能技术的开发和应用成为支撑新能源产业发展的关键。电化学储能具有方便、高效等优点，被认为是一种较理想的储能方式，其中锂离子电池因其寿命长、能量效率高，已成为当前储能技术领域中的首选。然而，由于锂离子电池是便携式电子设备、电动汽车的主力电源，电池行业的快速发展和锂矿资源的短缺性，给锂离子电池在储能系统规模化应用带来挑战，迫切需要开发出无资源限制、能量密度高的二次电池体系。

同为碱金属元素的钠、钾和锂具有相似的物化性质，且在地壳中储量丰富，使得钠离子电池和钾离子电池的开发成为当前储能领域研究的热点。更为重要的是，和钠离子电池体系相比，钾离子电池能源存储体系在以下几方面具有独特优势：（1）钾离子电池具有更接近锂离子电池的标准还原电势（k /k：-2.93v，na /na：-2.71 v，li /li：-3.04v），低电极电势有利于提高电极体系的能量密度；（2）钾离子电解质的电导率高，在非水系电解液中钾离子具有更高的离子电导率，有利于提高钾离子电池功率特性；（3）钾离子在碳材料中的扩散速率比钠离子更快，表明寻求和开发合适电极材料能够使钾离子电池展现出更高的倍率性能。

当前，钾离子电池体系的开发还处于基础研究阶段，研制高比容量、低成本的电极材料是储能技术发展的首要目标。其中，合金化类锑基等负极材料因其低成本、高容量受到广泛关注，但这些传统锑基负极材料存在扩散动力学缓慢、充放电过程中体积膨胀大等关键科学问题。因此，本项目拟采用微波辅助液相快速剥离制备高品质少层锑烯（类石墨烯新型二维材料），并通过自组装技术设计构筑锑烯-石墨烯复合柔性电极材料。结合二维锑烯材料高比面积、石墨烯高导电率等特点以及自组装结构限域优势，以期实现高能量密度、高倍率性能且稳定性优异的钾离子电池负极材料。此外，本项目拟开发的微波快速剥离制备大面积、缺陷少、能带间隙可调控的新型锑烯二维材料，对光电器件、超导及拓扑材料等交叉前沿的基础研究和实际应用具有重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：采用微波辅助液相快速剥离制备高品质少层锑烯，并通过自组装技术设计构筑锑烯-石墨烯复合柔性电极材料。

材料表征：采用sem、xrd、raman 等测试技术对其结构形貌、晶体结构、元素状态等进行表征；组装基于该复合电极的钾离子电池，并采用循环伏安法(cv)、恒流充放电法(et)等电化学测试技术对其电化学性能进行系统评估。

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4-6周：按照设计方案，拟采用微波辅助液相快速剥离技术，基于微波介电选择性吸收加热原理，通过调控吸波溶剂、微波功率、剥离时间等参数，制备出层状堆积状态的锑纳米片，再结合离子嵌入二次剥离策略对锑纳米片进行层间调控，实现层间可调控、表面可修饰、性质稳定的高品质二维少层锑烯材料的制备；并采用sem、xrd、raman 等测试技术对其结构形貌、晶体结构、元素状态等进行系统性表征。

第7-10周：通过自组装技术设计构筑锑烯-石墨烯电极材料，实现高载量石墨烯-锑烯柔性复合电极材料制备；组装钾离子电池，采用循环伏安、恒流充放电等方法研究电池的充放电容量、循环稳定性、电压极化、库伦效率、钾离子扩散等电化学性能，探究电极结构对电池电化学性能影响并在此基础上进行性能优化。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] chu s, cui y*, liu n.the path towards sustainable energy. nature materials 2016, 16(1): 16-22.

[2] dunn b*, kamath h,tarascon j-m. electrical energy storage for the grid: a battery of choices.science 2011, 334(6058): 928-935.

[3] zhu t, hu p, wang x, liuz, luo w, owusu k a, cao w, shi c, li j, zhou l, mai l*. realizingthree-electron redox reactions in nasicon structured na₃mnti(po₄)₃ for sodium-ion batteries. advanced energy materials, 2019, 9(9): 1803436.