金属有机骨架材料及其衍生物的电化学储锂性能研究

发布时间：2017-08-29 04:24

  本文关键词：金属有机骨架材料及其衍生物的电化学储锂性能研究

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【摘要】：锂离子电池因工作电压高、寿命长、环境友好等优点广泛应用在手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子设备上。然而随着新能源电动汽车等大功率用电设备的发展,目前商业化的锂离子电池受电极材料性能的限制已经不能满足人们对高容量、高能量密度及大倍率性能等的要求,因此迫切需要人们研究开发新的电极材料提高锂离子电池的电化学性能。最近,一类新兴的具有多孔结构的金属有机骨架材料及其衍生物成功应用在了锂离子电池领域并受到广泛关注。在本论文中我们首先利用环境友好的氨基酸类小分子和硝酸铜,通过简单的超声扩散法制备了具有纳米纤维结构的天门冬氨酸-铜金属有机骨架材料,作为锂离子电池负极电极材料,纳米纤维的结构缩短了锂离子和电子的传输距离,因此有利于其电化学性能更好的发挥,通过实验对比分析,初步提出了该材料的储锂机制。另外通过溶剂热法制备了具有梭形结构的MIL-88(Fe)金属有机骨架材料,电化学性能测试结果显示在200 mA/g的电流密度下循环500次有673.3mAh/g的高放电比容量,并显示了稳定的循环性能及优异的倍率性能,通过对充放电前后材料分析对其储锂机制也做了初步探讨。本部分内容结果证明了金属有机骨架材料可作为一种潜在的锂离子电池负极材料。以天门冬氨酸-铜金属有机骨架材料作为前驱体,将其在空气氛围下热处理得到氧化铜,在0.5 C倍率下循环500次后仍有约680 mAh/g的放电比容量。将MIL-88(Fe)有机骨架材料在在惰性气体氛围下热解得到氧化铁/碳复合材料,制备的复合材料在0.5 C下循环200次后仍有927.4 mAh/g的放电比容量,复合材料优异的电化学性能主要是因为碳材料的复合提高了Fe3O4的导电性,同时缓解了其在充放电过程中的体积膨胀,抑制了材料的粉化、脱落,显著提高了其电化学性能。另外,我们通过酸洗在惰性气体中热解天门冬氨酸-铜的产物,制备得到含氮质量分数为8.62%的氮掺杂的纳米无定形碳材料,在0.5 A/g的电流密度下循环800次后有853.1 mAh/g的放电比容量,甚至在5 A/g的超大电流密度循环1000次后其放电容仍有为440 mAh/g,远高于目前商业化的石墨负极材料容量,其优异的电化学性能主要归结为氮掺杂的无定形碳结构。热处理金属有机骨架材料提供了一种新的制备氧化物材料、碳材料及氧化物/碳复合电极材料的方法。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 金属有机骨架材料 氧化物 氮掺杂碳
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-27
• 1.1 引言9-10
• 1.2 锂离子电池简介10-12
• 1.2.1 锂离子电池的发展史10
• 1.2.2 锂离子电池结构与工作原理10-11
• 1.2.3 锂离子电池的特点11-12
• 1.3 锂离子电池负极材料概况12-15
• 1.3.1 碳负极材料13-14
• 1.3.2 过渡金属氧化物14
• 1.3.3 锡基、硅基材料14-15
• 1.3.4 其他负极材料15
• 1.4 金属有机骨架材料研究进展15-25
• 1.4.1 金属有机骨架材料简介15-17
• 1.4.2 金属有机骨架电极材料研究进展17-20
• 1.4.3 金属有机骨架衍生物电极材料研究进展20-25
• 1.5 本论文的选题意义及研究内容25-27
• 第2章 实验仪器及实验方法27-31
• 2.1 实验药品及设备27-28
• 2.1.1 主要实验药品27-28
• 2.1.2 主要实验设备28
• 2.2 材料的表征28-30
• 2.2.1 多晶X射线衍射分析28-29
• 2.2.2 扫描电镜形貌分析29
• 2.2.3 透射电镜分析29
• 2.2.4 热重差热分析29
• 2.2.5 拉曼光谱分析29
• 2.2.6 X射线光电子能谱分析29
• 2.2.7 比表面积和孔隙率分析29-30
• 2.3 材料的电化学性能测试30-31
• 2.3.1 电池极片的制备30
• 2.3.2 电池的装配30
• 2.3.3 电池电化学性能的测试30-31
• 第3章 金属有机骨架材料的制备及电化学性能研究31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 金属有机骨架纳米线结构的合成及电化学性能研究31-37
• 3.2.1 材料的合成及电化学性能测试31-32
• 3.2.2 样品的表征32
• 3.2.3 电化学性能测试结果与讨论32-37
• 3.2.4 本节小结37
• 3.3 MIL-88(Fe)的合成及电化学性能研究37-42
• 3.3.1 MIL-88(Fe)的合成及电化学性能测试37-38
• 3.3.2 样品的表征38
• 3.3.3 电化学性能测试结果与讨论38-41
• 3.3.4 本节小结41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 金属有机骨架衍生物材料的制备及电化学性能研究43-58
• 4.1 引言43
• 4.2 天门冬氨酸-铜衍生物的制备及电化学性能研究43-51
• 4.2.1 氧化铜及碳材料的制备及电化学性能测试43
• 4.2.2 氧化铜材料的表征43-44
• 4.2.3 氧化铜电化学性能测试结果与讨论44-46
• 4.2.4 碳材料的表征46-48
• 4.2.5 氮掺杂无定形碳材料电化学性能测试结果与讨论48-50
• 4.2.6 本节小结50-51
• 4.3 MIL-88(Fe)衍生物的制备及电化学性能研究51-57
• 4.3.1 氧化铁及四氧化三铁/碳材料的制备及电化学性能测试51
• 4.3.2 氧化铁及四氧化三铁/碳材料的表征51
• 4.3.3 氧化铁电化学性能测试结果与讨论51-52
• 4.3.4 四氧化三铁/碳复合材料的表征52-55
• 4.3.5 四氧化三铁/碳复合材料电化学性能测试结果与讨论55-57
• 4.3.6 本节小结57
• 4.4 本章小结57-58
• 第5章 总结与展望58-60
• 5.1 总结58-59
• 5.2 展望59-60
• 参考文献60-67
• 致谢67-68
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果68

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