锡基电极材料的增强型储能研究文献综述

 2023-08-09 04:08

通过文献调研，我了解了目前国内外关于二氧化锡作为电极材料在电化学储能领域的发展近况，找到了课题的切入点。同时，在大量的文献查阅后，我积累了许多的相关知识，对自己课题的创新性和可行性有了充分的把握，对课题的展开研究有极大的帮助。

[4] Y. Xie, P. Sun, Electrochemical performance of interspace-expanded molybdenum disulfifide few-layer, J. Nanopart. Res. 20 (2018) 183.

  1. 能源危机和环境污染是当今世界的两个重要问题。主要因为化石能源在未来将会枯竭，而且在化石能源消耗的过程中，释放大量的二氧化碳和煤烟污染了环境。因此，人们对使用可再生能源取代传统燃料作为我们日常生活中主要的能源有较高的期望。然而，一些可再生能源是不稳定、间歇的，如太阳能和风能。这表明，能源储存在可持续能源输出系统中起着重要的作用。生活中，各类电池是我们常用的电能储存装置。然而，大多数电池只能进行缓慢的功率输送，不能满足更快和更高功率的能量需求。因此，超级电容器应运而生，用以实现高速率的能源存储和释放，可以满足电动汽车、大型计算机等高功率电器的电力要求。

    超级电容器因其快速地充放电能力、长的循环寿命以及高的功率密度而被认为是一种新型的电化学能量存储元件。超级电容器的性能特点如下：(1)功率密度明显大于具有可接受的高能量密度（gt;10Wh kg-1）的电池；(2)优异的循环稳定性（超过电池的100倍）；(3)快速充放电能力；(4)低自放电；(5)使用安全；(6)成本低；

    电极材料的设计与合成对于超级电容器的应用至关重要。在众多超级电容器的电极材料中，二氧化锡（SnO2）由于其自身的外在性质和广泛的应用而被视为一种灵巧的材料，例如宽带隙（Eg = 3.6 eV，在300K下），高电学、光学和化学稳定性等。

    在超级电容器应用领域，不同形貌的SnO2被合成或再与其他材料复合作为超级电容器的电极材料，形貌主要有纳米颗粒、纳米片和薄层等。

    1. 选题背景和意义：
    2. 课题关键问题及难点：
    3. 制备锡基材料的纳米棒阵列结构。解决方案：采用氮氧化锡有序纳米阵列结构电极材料合成路线。①碳纤维预处理：先采用水热活化法，以硫酸介质进行水热活化处理石墨碳纤维束，制备活性碳纤维；②纳米棒阵列合成：再采用水热合成法，以活性碳纤维为基底材料，制备纳米结构单元相互间隔分离的二氧化锡有序纳米棒阵列；③氮掺杂：基于氨热氮化法，以二氧化锡有序纳米棒为前驱体，氯化铵为分散剂和锡为辅助剂，在氨气气氛中进行不完全的部分氮化反应，合成四棱柱形纳米棒阵列结构的碳纤维基氮氧化锡电极材料。
    4. 以制备好的碳纤维基氮氧化锡电极材料为基底，制作氮氧化锡锂离子超级电容器。在此基础上，尝试制备基于氮氧化锡的锂离子超级电容器柔性储能器件。
    5. 氮氧化锡有序纳米阵列电极材料进行微结构表征和电化学性能测试，形貌微结构表征主要包括XRD, Raman, BET, SEM, TEM等；电化学性能测试主要包括循环伏安CV测试，恒流充放电GCD测试，循环稳定性CS测试，交流阻抗谱EIS测试等。
    6. 氮氧化锡锂离子超级电容器的增强型储能研究，基于高电导性和电容性的氮氧化锡有序纳米棒阵列电极和凝胶电解质构建增强储能型锂离子超级电容器，研究其电化学电容、能量密度、倍率性能以及循环充放电稳定性。
  2. 极材料的应用前景和潜力。
    1. 参考文献
    2. Jing Xu, Chaohui Ruan, Pengxi Li,etc.Excessive nitrogen doping of tin dioxide nanorod array grown on activated carbon fibers substrate for wire-shaped microsupercapacitor[J].Chemical Engineering Journal,2019,378(122064).
    3. Y. Xie, Electrochemical performance of transition metal-coordinated polypyrrole: a mini review, Chem. Rec. 19 (2019) 1–16.
    4. Yang Liu, Yang Jiao, Bosi Yin,etc.Enhanced electrochemical performance of hybrid SnO2@MOx (M=Ni, Co, Mn) core–shell nanostructures grown on flexible carbon fibers as the supercapacitor electrode materials[J].Journal of Materials Chemistry A,2015,3:3676-3682.
  3. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

（1）氮氧化锡有序纳米阵列结构电极材料合成路线：先采用水热活化法，以硫酸介质进行水热活化处理石墨碳纤维束，制备活性碳纤维；再采用水热合成法，以活性碳纤维为基底材料，制备纳米结构单元相互间隔分离的二氧化锡有序纳米棒阵列；基于氨热氮化法，以二氧化锡有序纳米棒为前驱体，氯化铵为分散剂和锡为辅助剂，在氨气气氛中进行不完全的部分氮化反应，合成四棱柱形纳米棒阵列结构的碳纤维基氮氧化锡电极材料。

（2）氮氧化锡锂离子超级电容器制作工艺：以活性碳纤维基氮氧化锡纳米棒阵列材料为对称型工作电极，以锂离子分散聚乙烯醇凝胶为工作电解质，采用聚合物PET薄膜进行塑封，构建基于氮氧化锡的锂离子超级电容器柔性储能器件。

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