二次电池金属—有机框架的改性及储能机理研究

发布时间：2020-06-19 23:31

【摘要】：随着电子设备的广泛使用和人们对清洁能源的迫切需求,储能电池的需求量越来越大,同时对电池性能要求也越来越苛刻。科研工作者一方面寻找具有更高比容量的电极材料来提高能量密度,另一方面开发新电池体系降低过度依赖锂资源造成的成本过高问题。锂离子电池被广泛应用于现代便携式设备当中,然而由于较高的成本和有限的锂资源储存,因此并不适用于在大规模储能中的使用。金属钾资源储量丰富,并与锂同处于第一主族具有相似的物理化学特性,有望在储能电池中得到应用。然而由于钾离子的离子半径较大,要求电极材料有较大的孔径结构提供扩散通道以及缓解脱嵌过程带来的体积膨胀效应。近年来,科学家们开发出一类具有大比表面积和多孔结构的金属-有机框架材料(MOFs),其结构由有机配体和金属离子组成,兼具有机配体的柔性与金属离子的刚性特点,是一类极具开发潜力的电极材料。本文通过合成一类Fe基MOF-235材料,并针对其较弱的导电性作改性,研究其钾离子储存特性。具体工作如下:(1)以廉价且环保的对苯二甲酸和六水合三氯化铁为原料,通过溶剂热法成功制备出Fe基金属-有机框架材料MOF-235,发现MOF-235材料是一类微孔型材料,BET比表面积710m2/g,孔径0.83nm,孔容0.3cm3/g。并拥有良好的离子储存特性,将其用于储Li+、Na+、K+研究,其中在50mA g-1电流密度下储锂和储钾可逆容量分别为220和80mAh g-1,且拥有较高的库伦效率,表明了MOF-235是一类能可逆储钾的电极材料。(2)通过原位制备一维多壁碳纳米管(MWCNTs)与MOF-235的复合材料,用于储钾研究。由于多壁碳纳米管优异的导电性,显著提高了复合材料的可逆比容量,其优异的循环性能得益于碳纳米管与MOFs晶体良好的结合形式,并对活性物质具有固定作用。其中20%MWCNTs复合材料电化学性能最优,50mA g-1电流密度下50周循环后容量达到14mAh g-1,200mA g-1大电流密度下循环200周仍能保持132mAh g-1,容量保持率为52.8%,并拥有优异库伦效率和倍率性能。对储能机理研究发现,MOF-235在充放电过程中金属Fe离子不参与氧化还原反应,可逆储钾容量主要来源于有机配体中C=O双键的可逆开合进行储能。(3)通过将二维导电石墨烯材料与MOF-235材料复合,进一步构筑拥有二维导电网络的复合电极材料。电导率测试表明石墨烯在相同添加量时,电导率提高优于同条件下的多壁碳纳米管与MOF-235复合材料,这是由于MOFs晶体嵌于石墨烯表面或层间增大了接触面积。20%石墨烯复合材料达到最佳储钾性能,50mA g-1电流密度下可逆储钾容量为169mAh g-1,在200mA g-1大电流下200周容量保持145mAh g-1,容量保持率为72%,优于20%MWCNTs复合材料的容量性能。通过对MOF-23 5+20G复合材料进行变速CV测试发现,电极材料的反应过程主要受控于钾离子扩散过程,即表现为电池行为。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：

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