ZIFs基石墨烯复合材料的构筑及储锂机理研究
发布时间：2021-12-09 00:41
随着能源技术变革以及新型科技产业的发展,人类对新型储能电池的需求日显迫切,锂离子电池作为新兴能源储存装置也逐渐受到世界各国的重视。开发高能量密度和功率密度、超长循环寿命、安全系数高及低成本的锂离子电池也成为当前科学界的研究热点。高性能电极材料的构筑和开发是提高锂离子电池性能的有效手段之一。本文以石墨烯为基础,设计并构筑了一种沸石咪唑酯骨架化合物（ZIFs）基石墨烯复合材料,考察了其作为负极材料在锂离子电池中的储锂性能,并进一步探讨了复合材料的储锂机理及锂离子在储锂过程的传输动力学与电容定量分析。论文主要工作归纳如下:（1）以氧化石墨烯（GO）为基底,原位生长ZIF-8纳米粒子,并进一步通过一步热解技术制备出由二维（2D）夹层状框架构筑的超高氮掺杂多孔碳石墨烯纳米片（NPC@GNS）,并在锂离子电池负极材料中进行探索应用。研究结果表明:NPC@GNS复合材料在电流密度为0.5 A/g时循环100次后可保持906.6 mAh/g的高比容量,在大电流密度5 A/g下经过1000次超长循环后仍可提供378.2 mAh/g的平均比容量。复合材料优异的的循环稳定性和倍率性能证实了丰富的“点和平面”...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
圆柱形锂离子二次电池的结构示意图
1绪论烯脂PC和碳酸二乙酯DEC等烷基碳酸脂）而得到的均相体系，当前工业化锂离子电池中主要采用液态有机电解液和聚合物电解质（凝胶状电解液）。图1.1圆柱形锂离子二次电池的结构示意图Figure1.1Schematicdiagramsofcylindricallithiumionsecondarybatteries锂离子二次电池俗称“扶摇式电池”，其工作机理实质是锂离子产生的浓度差。在充放电过程中，锂离子通过电解液在正负极材料之间有规律的往返运动，发生可逆的嵌入和脱出过程，其工作原理如图1.2所示。以正极LiCoO2，负极石墨C为例，其正负电极材料的电化学反应表达式如下：正极：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-负极：6C+xLi++xe-LixC总反应：LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC图1.2锂离子电池的工作原理图Figure1.2Schematicofworkingprinciplesofrechargeablelithiumionbatteries3
1绪论（PNCs@Gr）。当PNCs@Gr复合材料用作锂离子电池的负极材料时，在电流密度为1A/g下循环200次仍表现出较高的可逆比容量948mAh/g，而在5A/g的较高电流密度下，循环400次仍能保持530mAh/g的可逆比容量和约84.4%的容量保留率。PNCs@Gr复合材料出色的倍率性能和循环性能归因于通过原位合成三明治状PNCs@Gr电极保持着分层多孔结构，是高导电石墨烯框架和高水平氮掺杂的理想组合。图1.3类三明治状PNCs@Gr纳米结构的合成路线[37]Figure1.3Synthesisofsandwich-likePNCs@Grnanostructures[37]近年来，除了MOFs衍生碳基材料以外，MOFs材料衍生碳/金属氧化物材料、MOFs衍生双金属氧化物等也被广泛研究。2016年，Chen[38]等人报道了一种高效多步骤合成路线，通过聚合物-醋酸钴（Co（Ac）2）复合纤维与2-甲基咪唑均匀混合得到（Co（Ac）2）@ZIF-67核-壳纳米纤维，最后经过在Ar/H2气氛中退火和空气中的热处理获得分层CNT/Co3O4管状结构。CNT/Co3O4电极作为锂离子电池的负极材料时，得益于独特的结构和组成优势，在0.1A/g的电流密度下循环200次可提供1281mAh/g高的可逆比容量。Sui课题组[39]报告了一种将ZIF-67衍生的Co3O4颗粒原位生长在氮掺杂石墨烯（NGN）气凝胶中的简便方法，ZIF-67@NGA在空气中煅烧而转化为分层多孔的Co3O4@NGN复合材料。其中，高电导率和多孔结构的NGN加速了电解质离子的扩散，并缓冲了由Co3O4的体积变化引起的应力。Co3O4@NGN作为负极材料时显示出极高的比容量（0.1A/g，1030mAh/g），出色的倍率性能（1A/g，681mAh/g）和出色的循环稳定性（1A/g，676mAh/g，400次循环）。Huang[40]等人通过热处理MWCNTs/ZIF-67前驱体已成功合成具有纳米级结构单元的分层多孔结构MWCNTs/Co3O4纳米复合材料。当
本文编号：3529565
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
圆柱形锂离子二次电池的结构示意图
1绪论烯脂PC和碳酸二乙酯DEC等烷基碳酸脂）而得到的均相体系，当前工业化锂离子电池中主要采用液态有机电解液和聚合物电解质（凝胶状电解液）。图1.1圆柱形锂离子二次电池的结构示意图Figure1.1Schematicdiagramsofcylindricallithiumionsecondarybatteries锂离子二次电池俗称“扶摇式电池”，其工作机理实质是锂离子产生的浓度差。在充放电过程中，锂离子通过电解液在正负极材料之间有规律的往返运动，发生可逆的嵌入和脱出过程，其工作原理如图1.2所示。以正极LiCoO2，负极石墨C为例，其正负电极材料的电化学反应表达式如下：正极：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-负极：6C+xLi++xe-LixC总反应：LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC图1.2锂离子电池的工作原理图Figure1.2Schematicofworkingprinciplesofrechargeablelithiumionbatteries3
1绪论（PNCs@Gr）。当PNCs@Gr复合材料用作锂离子电池的负极材料时，在电流密度为1A/g下循环200次仍表现出较高的可逆比容量948mAh/g，而在5A/g的较高电流密度下，循环400次仍能保持530mAh/g的可逆比容量和约84.4%的容量保留率。PNCs@Gr复合材料出色的倍率性能和循环性能归因于通过原位合成三明治状PNCs@Gr电极保持着分层多孔结构，是高导电石墨烯框架和高水平氮掺杂的理想组合。图1.3类三明治状PNCs@Gr纳米结构的合成路线[37]Figure1.3Synthesisofsandwich-likePNCs@Grnanostructures[37]近年来，除了MOFs衍生碳基材料以外，MOFs材料衍生碳/金属氧化物材料、MOFs衍生双金属氧化物等也被广泛研究。2016年，Chen[38]等人报道了一种高效多步骤合成路线，通过聚合物-醋酸钴（Co（Ac）2）复合纤维与2-甲基咪唑均匀混合得到（Co（Ac）2）@ZIF-67核-壳纳米纤维，最后经过在Ar/H2气氛中退火和空气中的热处理获得分层CNT/Co3O4管状结构。CNT/Co3O4电极作为锂离子电池的负极材料时，得益于独特的结构和组成优势，在0.1A/g的电流密度下循环200次可提供1281mAh/g高的可逆比容量。Sui课题组[39]报告了一种将ZIF-67衍生的Co3O4颗粒原位生长在氮掺杂石墨烯（NGN）气凝胶中的简便方法，ZIF-67@NGA在空气中煅烧而转化为分层多孔的Co3O4@NGN复合材料。其中，高电导率和多孔结构的NGN加速了电解质离子的扩散，并缓冲了由Co3O4的体积变化引起的应力。Co3O4@NGN作为负极材料时显示出极高的比容量（0.1A/g，1030mAh/g），出色的倍率性能（1A/g，681mAh/g）和出色的循环稳定性（1A/g，676mAh/g，400次循环）。Huang[40]等人通过热处理MWCNTs/ZIF-67前驱体已成功合成具有纳米级结构单元的分层多孔结构MWCNTs/Co3O4纳米复合材料。当
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