普鲁士蓝及其衍生物的结构调控及锂离子电池性能研究

发布时间：2017-03-25 21:02

  本文关键词：普鲁士蓝及其衍生物的结构调控及锂离子电池性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：商业应用的锂离子电池通常使用石墨化碳作为负极材料。以石墨化碳材料为负极材料的锂离子倍率性能低,扩散系数低,理论容量低,不能满足当代对新型储能电源系统电子设备的使用需求。为了更高效便捷地使用锂离子电池作为移动电源,开发容量高、使用安全、循环稳定性好的可替代锂离子电池负极材料成为了目前的研究热点。MOF材料具有比表面积大、可功能化、化学稳定性较高、电催化性能优越、容易制备、成本低等优点,在众多领域中MOF材料的应用正体现出广阔的前景。本文考察了溶剂热方法制备的Co_3[Co(CN)_6]_2以及水热方法制备的立方体Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2两种材料,通过X射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、红外、X射线光电子能谱分析等方式对其结构与物相组成进行表征。将其与金属锂片组成半电池,测试其在不同条件下电化学性能。最后通过X射线光电子能谱分析、透射电镜、红外、X射线粉末衍射对Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2材料作为负极材料在锂离子嵌入和嵌出过程中物相和形貌分析,提出了锂离子在MOF材料中的嵌入嵌出机理。主要的研究内容如下:(1)采用溶剂热方法合成了Co_3[Co(CN)_6]_2。以六氰合钴(Ⅲ)酸钾为原料,用溶剂热方法制备了纯相Co_3[Co(CN)_6]_2和Co_3[Co(CN)_6]_2与Co(OH)_2的混合物。此制备方法操作简单,实验条件可控,通过单一的盐酸调节反应酸度,采用PVP调节反应溶液中表面活性剂量。该材料作为锂离子电池负极材料具有比容量高,稳定性好的优点,在100 mA h g~(-1)电流密度下进行循环100圈充放电时,比容量可以达到640.1 mA h g~(-1)。(2)采用水热方法合成了立方体Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2与探究了其在锂电池中锂离子嵌入嵌出机理。以六氰合铁(Ⅱ)酸钾、六氰合钴(Ⅲ)酸钾为原料,用水热方法制备了Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2材料。其原理是在酸性条件下,以六氰合铁(Ⅱ)酸钾和六氰合钴(Ⅲ)酸钾为前驱体,使用聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂,在水热反应过程中,随反应温度的升高六氰合铁(Ⅱ)酸钾优先反应并转化为Fe4[Fe(CN)_6]_3,温度继续升高后,六氰合钴(Ⅲ)酸钾反应,转化为Co_3[Co(CN)_6]_2,并在Fe_4[Fe(CN)_6]_3外层生长,从而得到具有核壳结构的二元复合物,保温后,二元复合物缓慢刻蚀,最终形成具有内部复杂刻蚀结构的核壳二元复合物。该材料作为锂离子电池负极材料具有容量高,稳定性好的优点,在100 mA g~(-1)电流密度下进行循环100圈充放电时,比容量为783.7mA h g~(-1)。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 普鲁士蓝及其衍生物 金属有机骨架材料 溶剂热反应
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O611.4;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 本论文研究的目的和意义11-12
• 1.2 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势12-20
• 1.2.1 锂离子电池正极材料的研究进展12-13
• 1.2.2 锂离子电池负极材料的研究进展13-15
• 1.2.3 MOF材料应用于锂离子电池材料的研究进展15-20
• 1.3 选题依据和研究内容20-23
• 1.3.1 选题依据20-21
• 1.3.2 研究内容21-23
• 第2章 Co_3[Co(CN)_6]_2 材料形貌调控及其锂离子电池性能探究23-31
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验部分24-25
• 2.2.1 实验试剂与仪器24
• 2.2.2 Co_3[Co(CN)_6]_2 材料的制备24
• 2.2.3 Co_3[Co(CN)_6]_2 材料表征24-25
• 2.2.4 电化学性能测试25
• 2.3 结果与讨论25-30
• 2.3.1 Co_3[Co(CN)_6]_2 材料的形貌调控25-29
• 2.3.2 电化学测试结果与讨论29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 合成立方体 Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2 及其锂离子电池性能与机理探究31-50
• 3.1 引言31
• 3.2 实验部分31-33
• 3.2.1 实验试剂与仪器31-32
• 3.2.2 材料的制备原理32
• 3.2.3 材料的制备方法32
• 3.2.4 材料形貌调控与表征32-33
• 3.2.5 电化学性能测试33
• 3.3 对比实验33-34
• 3.3.1 Fe_4[Fe(CN)_6]_3 材料和Co_3[Co(CN)_6]_2 材料的制备方法33
• 3.3.2 Fe_4[Fe(CN)_6]_3 材料和Co_3[Co(CN)_6]_2 材料电化学性能测试33-34
• 3.4 结果与讨论34-43
• 3.4.1 立方体Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2 结构分析34-39
• 3.4.2 立方体Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2 生长过程探究39-41
• 3.4.3 电化学测试结果与讨论41-43
• 3.5 Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2 负极材料的充放电机理探讨43-48
• 3.5.1 充放电机理探究方法43
• 3.5.2 充放电循环中电极材料结构与物相组成分析43-48
• 3.5.3 Fe_4[Fe(CN)_6]_3@Co_3[Co(CN)_6]_2 电极材料的可能充放电机理48
• 3.6 本章小结48-50
• 结论50-51
• 参考文献51-57
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单57-58
• 致谢58

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