本文關(guān)鍵詞：由金屬有機框架制備鋅基氧化物鋰離子電池負(fù)極材料

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【摘要】：氧化鋅作為負(fù)極材料擁有比容量高、價格低廉、無毒無害、穩(wěn)定性好以及制備簡單等較多優(yōu)點,與其它金屬氧化物負(fù)極材料相比,氧化鋅擁有較低的氧化還原電勢,以及更高的鋰離子擴散系數(shù)。但同其它金屬氧化物材料一樣,受制于體積膨脹和導(dǎo)電性差這兩個缺點。本文工作主要是由MOF為前驅(qū)體制備鋅基氧化物復(fù)合材料,并從納米化、碳包覆以及金屬摻雜三個方面對其進(jìn)行改性來克服體積膨脹和導(dǎo)電性差的問題。以MOF為前驅(qū)體制備氧化鋅也具有較多優(yōu)勢。第一,煅燒后的材料可部分保持其框架及孔結(jié)構(gòu),擁有較大比表面積。第二,制備出的氧化鋅具有很小的尺寸,甚至可制備出氧化鋅量子點。第三,制備出的氧化鋅顆粒被碳層均勻包覆,并與碳母體相連,形成二次顆粒。本文主要內(nèi)容如下:1、以二次生長法制備摻鈷MOF,并在惰性氣氛中煅燒制備碳包覆摻鈷氧化鋅。所制備出的氧化鋅復(fù)合材料保持了MOF的立方塊形貌及部分孔結(jié)構(gòu),ZnO納米顆粒被碳層均勻包覆。鈷的摻雜一方面提高了氧化鋅的導(dǎo)電性,另一方面提高了氧化鋅表面碳的石墨化程度,有利于電子在復(fù)合材料中的輸運。對比不同保溫時間發(fā)現(xiàn)不保溫的樣品具有最好的電化學(xué)性能。將其用作鋰離子電池負(fù)極材料,在100 mA g~(-1)的電流密度下50次循環(huán)之后達(dá)到525 mA h g~(-1)的可逆容量,性能最好的不保溫樣品容量可達(dá)725 mA h g~(-1)。但是一個明顯的問題就是不保溫樣品的重復(fù)性很差。2、針對第一個工作中樣品重現(xiàn)性差的問題,在制備摻鈷MOF時,降低其結(jié)晶度,同時以較長的時間進(jìn)行煅燒。發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻鈷MOF的結(jié)晶度較低即鈷在MOF中結(jié)合力較弱時,部分鈷在煅燒過程中游離出來并被還原為金屬鈷。金屬鈷在煅燒過程中催化對苯二甲酸中sp~2雜化的碳從而生長出碳納米管,制備出碳包覆摻鈷氧化鋅/碳納米管復(fù)合材料。因碳源對苯二甲酸中的碳原子為sp~2雜化,生成碳納米管的反應(yīng)能壘較小,反應(yīng)較容易進(jìn)行。EDS表明碳納米管頂端位置有金屬鈷的存在,很明顯金屬鈷起著催化劑的作用。所制備出的復(fù)合材料具有較好的電化學(xué)性能,在100 mA g~(-1)的電流密度下,100個循環(huán)后仍保持758 mA h g~(-1)的可逆容量。同時樣品具有較好的重現(xiàn)性。3、以摻鑭MOF制備碳包覆摻鑭氧化鋅。XRD測試表明鑭的摻雜不利于ZnO顆粒的生長,從而形成更小的納米顆粒。而循環(huán)伏安測試說明碳包覆摻鑭氧化鋅的儲鋰過程是一個表面控制過程,鑭摻雜形成的小顆粒有利于提高其表面儲鋰能力。但電化學(xué)阻抗測試表明鑭摻雜的同時會降低氧化鋅的導(dǎo)電性。當(dāng)二者達(dá)到一個相對的平衡點,即摻鑭量為2%時具有最好的電化學(xué)性能。4、以鋅錫二元MOF為前驅(qū)體,在還原性氣氛中煅燒制備Zn_2SnO_4@C/Sn復(fù)合材料。所制備的復(fù)合材料中,導(dǎo)電性較好納米金屬Sn以及納米Zn_2SnO_4顆粒組裝成二次顆粒。金屬Sn在作為活性材料的同時起著導(dǎo)電劑的作用,納米化的Zn_2SnO_4@C/Sn復(fù)合材料在一定程度上抑制了體積膨脹對材料電性能的影響。另外,碳的存在為活性材料提供緩沖空間,進(jìn)一步降低體積膨脹的影響。隨著煅燒時間的延長,材料內(nèi)部金屬錫顆粒變大,其儲鋰過程由表面控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散控制。將Zn_2SnO_4@C/Sn復(fù)合材料用作鋰離子電池負(fù)極材料,取得了優(yōu)異的電化學(xué)性能,在100 mA g~(-1)電流密度下,100個循環(huán)后仍保持高達(dá)1140 mA h g~(-1)的可逆容量。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 負(fù)極材料 金屬有機框架 氧化鋅 碳包覆
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ132.41;TM912
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-26
• 1.1 引言10-11
• 1.2 鋰離子電池綜述11-19
• 1.2.1 鋰離子電池優(yōu)點及缺點11-12
• 1.2.2 鋰離子電池的工作原理12-13
• 1.2.3 鋰離子電池正極材料13-15
• 1.2.4 鋰離子電池負(fù)極材料15-19
• 1.3 金屬有機框架材料綜述19-23
• 1.3.1 MOF在鋰離子電池負(fù)極中的應(yīng)用19-20
• 1.3.2 MOF在鋰離子電池正極中的應(yīng)用20-21
• 1.3.3 MOF在鋰硫電池中的應(yīng)用21-22
• 1.3.4 MOF在Li-O_2電池中的應(yīng)用22-23
• 1.4 課題研究目的、意義及主要內(nèi)容23-26
• 1.4.1 課題研究的目的及意義23
• 1.4.2 課題研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點23-26
• 第二章 MOF制備碳包覆摻鈷氧化鋅鋰離子電池負(fù)極材料26-36
• 2.1 引言26-27
• 2.2 實驗部分27-28
• 2.2.1 實驗試劑27
• 2.2.2 材料合成27
• 2.2.3 材料表征27-28
• 2.2.4 電化學(xué)測試28
• 2.3 實驗結(jié)果與討論28-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 第三章 MOF原位生長碳納米管制備CZO@C/CNT鋰離子電池負(fù)極材料36-46
• 3.1 引言36-37
• 3.2 實驗部分37-38
• 3.2.1 實驗試劑37
• 3.2.2 材料合成37
• 3.2.3 材料表征37-38
• 3.2.4 電化學(xué)測試38
• 3.3 結(jié)果與討論38-44
• 3.4 本章小結(jié)44-46
• 第四章 MOF制備碳包覆摻鑭氧化鋅鋰離子電池負(fù)極材料46-54
• 4.1 引言46-47
• 4.2 實驗部分47-48
• 4.2.1 實驗試劑47
• 4.2.2 材料合成47
• 4.2.3 材料表征47
• 4.2.4 電化學(xué)測試47-48
• 4.3 結(jié)果與討論48-53
• 4.4 本章小結(jié)53-54
• 第五章 MOF制備Zn_2SnO_4@C/Sn鋰離子電池負(fù)極材料54-64
• 5.1 引言54-55
• 5.2 實驗部分55
• 5.2.1 實驗試劑55
• 5.2.2 材料合成55
• 5.2.3 材料表征55
• 5.2.4 電化學(xué)測試55
• 5.3 結(jié)果與討論55-62
• 5.4 本章小結(jié)62-64
• 第六章 結(jié)論與展望64-68
• 6.1 結(jié)論64-65
• 6.2 展望65-68
• 參考文獻(xiàn)68-77
• 致謝77-78
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄78-80

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本文編號：965551