MOF基一维过渡金属氧化物的设计、制备及其储锂性能研究

发布时间：2020-04-06 23:21

【摘要】：随着世界经济的快速增长,社会对能源短缺和气候变化问题的担忧日益加剧。因此,开发高效、可再生的清洁能源变得越来越重要。然而,目前可作为转化化学能和电能装置的锂离子电池(LIBs)的性能远远不能满足实际需求,开发高性能的LIBs的电极材料迫在眉睫。过渡金属氧化物因其具有较高的比容量、易于大批量制备等优势,吸引了人们的广泛专注。然而,过渡金属氧化物低的电子导电率以及大的体积变化阻碍了其自身的应用。金属有机骨架(MOFs)是一种新型的多孔材料,由金属离子与有机配体配位而成,具有高比表面积、多孔的特点。MOFs的衍生物能够很好的解决过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料时存在的弊端,因此,本论文以MOFs为研究对象,围绕着如何将其设计成一维纳米材料并应用于锂离子电池负极作了以下三部分工作。(1)采用溶剂热方法,以碳纳米管为模板,铁锰双金属MOF为前驱体制备了具有一维结构的FeMnO_X/CNT。探讨了碳纳米管的不同添加量对复合材料的形貌结构的影响,测试了不同碳纳米管含量的FeMnO_X/CNT的形貌以及电化学性能。研究表明当碳纳米管的添加量为80 mg时,得到的复合材料具有较好的一维形貌,铁锰氧化物在碳纳米管表面具有均匀的包裹层,同时具有最优异的电化学性能。当电流密度为0.1A g~(-1)时,该复合材料的首圈放电比容量为1313.8 mAh g~(-1),经过100次的充放电循环后,其容量依然可维持1107.5 mAh g~(-1),复合后的材料循环稳定性、容量都比复合前的单一材料有很大提升。(2)为了避免聚合物粘结剂和炭黑的加入引起的锂储存能力的损失,我们制备了自支撑的氮掺杂碳包覆的CoO纳米线阵列(CoO@N-C/NF)复合材料。该材料通过生长在泡沫镍基底上的一维CoO纳米线阵列作为自牺牲模板生长CoO@ZIF-67纳米线阵列,最后通过热解得到目标材料。通过对CoO粉末、CoO/NF、CoO@N-C/NF三个材料的电化学性能比较,发现CoO@N-C/NF具有优异的电化学性能,该材料在1 A g~(-1)的电流密度下首次放电比容量为2015.2 mAh g~(-1),经过100次循环后,其放电比容量保持在1884.1 mAh g~(-1)。同时,该电极材料具有极好的倍率性能,当电流密度为5 A g~(-1)时,其放电比容量高达1169.2 mAh g~(-1)。说明纳米线阵列结构和碳包覆对自支撑结构的氧化物电极材料的性能具有很大的改善作用。(3)以双金属氧化物为锂离子电池负极材料时通常比单金属氧化物具有更优异的性能,在本工作中我们采用置换法在生长ZIF-67基础之上制备了双金属的Ni-Co氢氧化物,并进一步通过热解得到目标产物NiO/NiCo_2O_4复合纳米阵列。发现用硝酸镍置换ZIF-67的时间为30 min时得到的目标产物达到了我们的预想结果并且具有杰出的电化学性能,在1 A g~(-1)的电流密度下经过100次循环后,其放电比容量保持在983.5 mAh g~(-1),同时,当电流密度分别为0.5 A g~(-1)、1 A g~(-1)、2 A g~(-1)和5 A g~(-1)时,平均放电比容量依次为968.7、862.7、805.1、715 mAh g~(-1)。说明目标材料的独特的层级结构以及多金属氧化物之间的协同作用对容量的提升具有重要作用。
【图文】：

锂离子电池工作原理图

MOF基一维过渡金属氧化物的设计、制备及其储锂性能研究

在不同乙醇/水体积比的钛箔上生长的Co-Mn前体结构的FESEM图像:(a)CMO-0,v(EtOH/H2O)=0/80mL;(b)CMO-30,v(EtOH/H2O)=30/50mL;(c)CMO-40,v(EtOH/H2O)=40/40mL;(d)CMO-50,v(EtOH/HO)=50/30mL;(e)CMO-60,v(EtOH/HO)=60/20mL和(f)CMO-70,
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM912

【参考文献】