Co-MOF前驱体衍生的高性能锂电负极复合材料的制备与储锂性能的研究

发布时间：2020-04-03 04:51

【摘要】：随着科学技术的蓬勃发展,能源存储设备伴随着各种数码电子产品的兴起而受到了广泛的关注。作为清洁能源的代表,锂离子电池因循环寿命长、能量密度高、无记忆效应、环境友好等诸多优点引起了人们的广泛重视。锂离子电池的研究重点主要集中在以下几个方面:新型电极材料、电解质、隔膜、新型集流体等电池的各个组成部分。其中,对容量贡献起主要作用的电极材料成为研发的重中之重。当前已商业化锂离子电池负极材料——碳基材料由于一些固有的缺陷成为限制锂离子电池进一步发展的阻碍,因此找到可替代碳材料的新型负极材料尤为重要。金属—有机框架(MOFs)材料作为近十年来迅速发展起来的一种配位聚合物,主要通过过渡金属离子作为连接点,有机配体自支撑构成3D延伸结构。这种新型材料一般孔隙率较高、孔道规则、孔径可调,同时具有较大比表面积及多种拓扑结构,因此在催化、气体贮存、传感器设计、分离、储能等方面都有广泛应用。本论文基于一种新颖的Co基MOF模板,设计合成了一种含氮的碳包覆的二硫化钴十六面体,并将其应用在锂离子电池负极材料中研究其储锂性能。本研究通过对Co-MOF模板进行热解和硫化作用,合成出了一种由含氮的碳包覆的二硫化钴颗粒堆积形成的十六面体(CoS_2@NCH-600)。首先,通过调节热解温度获得大小均一、形貌规则的碳包覆的钴纳米颗粒,再将其与硫粉通过硫化作用制备最终产物CoS_2@NCH-600。我们发现这种CoS_2@NCH-600材料具有十分特殊的结构:许多壳核结构的CoS_2纳米颗粒堆叠在一起,组装成一个微米级的十六面体,且粒子之间相互堆叠产生了较多孔道。众多的孔道在CoS_2@NCH-600材料制成混合电极应用在锂离子电池后,既能使电解液和电极材料更加充分的接触,也给循环过程中的体积膨胀预留了空间,延缓电极材料因坍塌而造成的容量衰减。此外,氮掺杂的碳壳联结形成了一个高导电的传输网络,结合纳米级的CoS_2颗粒能够有效够缩短锂离子和电子传输路径,使得整体混合电极材料具有较高的导电率,呈现出了十分优秀的电化学性能。当电流密度为1 A g~(-1)时,1000个充放电循环后电池仍然保持有779 mA h g~(-1)的充电容量。甚至在极大电流密度:20 A g~(-1)的情况下仍然有220 mA h g~(-1)的充电容量,且当电流恢复到2 A g~(-1)时容量也基本能恢复到最初水平。通过本探究,CoS_2@NCH-600混合电极体现出的优秀长循环性能及倍率性能使其在实际生活中展现出应用前景。
【图文】：

锂离子电池

东北师范大学硕士学位论文发了新一代钴酸锂作为锂离子电池正极材料[4]。随后，M.Thackeray、J.Go发现了分解温度高，氧化性远低于钴酸锂的锰尖晶石材料，这种新型电极低廉，其导电、导锂性能更好，更重要的是大幅度降低了电池的安全隐患电池凭借其相对较高的比容量、长时间放电性能、轻便的体积、对环境无 20 世纪末崭露头角以来获得十分迅猛的发展。1996 年，Padhi 和 Goode有橄榄石结构的磷酸盐（LiFePO4）[5]，这种磷酸盐的耐高温性能和耐过充传统锂离子电池材料，因此在汽车动力电池、医疗设备电源、移动电源、流放电的小型电器设备上被沿用至今。同时期，，日本索尼公司生产的以碳以钴酸锂作为正极材料的全新一代锂离子电池也实现了商业化。随着锂离断取得的突破性进展，锂电产业作为 21 世纪的高新技术，在未来相当长继续蓬勃发展[6]。

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东北师范大学硕士学位论文的三分之一。其中，由聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）形成的微孔膜通常之外还有 PP 和 PE 组成的复合多层微孔膜，这些膜都允许锂离子通过通过。——负极材料按照储锂机理分三种：基于嵌入式反应机理的石墨类负极化反应机理的硅基[9]、锡基材料，基于转换反应机理的过渡金属氧化物物材料。当前无论商业还是科研领域，碳质的活性材料都是人们关注的液——液态的电解液由溶剂（碳酸酯类：碳酸乙烯脂、碳酸二甲脂、碳丙烯脂）、锂盐（LiPF6）、添加剂组成。随着人们对锂离子电池安全性固体聚合物类电解质逐渐取代液态电解质应用在商业化电池中成为开外壳——按材质可分为钢、铝壳、镀镍铁壳、铝塑膜等。离子电池工作原理
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TM912

【参考文献】