铁基MOFs材料的合成及其在锂离子电池中的应用探索

发布时间：2018-06-26 10:35

本文选题：金属-有机骨架材料 + MIL-88A　；参考：《西安科技大学》2017年硕士论文

【摘要】：锂离子电池因具有能量密度大、输出电压高、使用寿命长等优点,而被广泛应用于移动通讯设备、数码产品和新能源汽车等众多领域。然而,随着市场需求的不断发展,当前商品化的锂离子电池已经难以满足新一代电气设备对于大容量、高功率化学电源的需求。提升锂离子电池电化学性能的关键在于新型电极材料的开发。金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是一种由金属离子和有机配体通过自组装过程相互连接形成的一类具有规则孔道结构的多孔材料。MOFs材料中的无机金属中心和有机配体在电化学过程中可以作为有效的氧化/还原活性位点,并且其规则孔道结构有利于Li+的扩散迁移,选用具有良好结构稳定性的MOFs能保证锂离子电池在循环充放电过程中的性能稳定,因此,MOFs是一种非常有潜力的锂离子电池电极材料。本文基于水热/溶剂热合成法,成功制备了两种亚微米尺寸的铁基MOFs材料(MIL-88A和MIL-88B);随后通过高温煅烧或者与导电聚吡咯的原位复合,分别制备了铁氧化物材料以及MOFs@PPy复合材料;采用X射线粉末衍射、红外光谱、扫描电镜等手段对样品的结构、组成和形貌进行了分析表征,进而探索了其在锂离子电池中的潜在应用。1、以FelCl3·6H2O为铁源、反丁烯二酸为有机配体,采用水热法成功合成了直径约为500 nm、长度为2～4μm的棒状MIL-88A材料。当用作锂离子电池负极材料时,MIL-88A表现出了一定的储锂能力(首次放电比容量为140.5 mA·h·g-1),但存在很高的首次容量损失并且循环性能不够理想。巨正则系综蒙特卡洛模拟结果表明,常温下H2、C02和PF5等锂离子电池常见气体副产物在MIL-88A中的吸附量先随着压力的增大而迅速增加,随后趋于平衡。平衡吸附量与其分子动力学直径密切相关,分子动力学直径越小,平衡吸附量越大。MIL-88A有望用作一种锂离子电池泄出气体/电解液的收集材料。2、针对MIL-88A容易热解的特点,将其作为前驱体在空气气氛中煅烧能够得到Fe2O3、在氮气气氛下qF烧可以得到铁氧化物/碳复合材料;针对MIL-88A导电性差的缺点,通过MIL-88A与导电聚吡咯的原位复合制备得到了 MIL-88A@PPy复合材料。电化学测试结果表明:(a)与铁氧化物/碳复合材料相比,以MIL-88A作为前驱体得到的Fe203表现出了更加优异的充放电性能。在100 mA·g-1的电流密度下,Fe203经过60次充放电循环后的可逆储锂容量仍可达817mA·h·g-1;(b)与纯的MIL-88A相比,聚吡咯包覆MIL-88A(简称MIL-88A@PPy)在中高频区的阻抗显著减小,表现出了更好的循环性能和倍率性能。3、为了进一步探索导电高分子包覆于改善铁基MOFs电化学性能的作用和效果。分别以六水合氯化铁和1,4-对苯二甲酸为金属离子源和有机配体,通过溶剂热反应制备得到了 MIL-88B;进而通过吡咯单体在MIL-88B表面的原位氧化聚合制备了聚吡咯包覆的MIL-88B(简称MIL-88B@PPy)。研究结果表明,导电聚吡咯的原位包覆不仅能够显著改善MIL-88B的首次充放电库伦效率(在100 mA·g-1的电流密度下,首次充放电的库伦效率可以从61.8%提高到84.6%);而且还可以有效减小活性物质颗粒之间的界面阻抗,极大改善MIL-88B的循环稳定性(在100 mA·g-1的电流密度下,MIL-88B@PPy经过75次充放电循环后比容量还维持在初始容量的81%,而未包覆的MIL-88B材料仅剩下初始容量的13%)。
[Abstract]:Metal - organic framework materials ( MIL - 88A and MIL - 88B ) have been successfully synthesized from metal ions and organic ligands through self - assembly process .
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912

【参考文献】