多孔納米復(fù)合材料的制備及其在新能源儲(chǔ)能設(shè)備中的應(yīng)用.pdf

1、21世紀(jì)以來(lái)，便攜式電子設(shè)備的發(fā)展和新能源電動(dòng)汽車的普及，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展（新能源電池）。新能源汽車的核心部件之一就是新能源電池。從新能源電池的發(fā)展方向上看，新能源電池可以分為鋰離子電池、燃料電池、超級(jí)電容器。鋰離子電池和超級(jí)電容器是目前應(yīng)用較廣泛的新能源儲(chǔ)能設(shè)備。其中鋰離子電池已經(jīng)逐漸地成為一種新型清潔能源應(yīng)用于汽車和便捷電子設(shè)備。石墨是目前使用最為廣泛的鋰離子電池負(fù)極材料。而超級(jí)電容器也是一種電化學(xué)容器，是介于傳統(tǒng)電容器和充電

2、電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置，其儲(chǔ)蓄的容量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容器，并且充電速度快。目前，通過(guò)制備具有可再生能力的納米復(fù)合材料作為電極材料應(yīng)用于新能源電池設(shè)備來(lái)解決日益增長(zhǎng)的能量危機(jī)以及各種環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。本論文的相關(guān)工作主要制備了幾類具有多孔納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料并應(yīng)用于新能源儲(chǔ)能設(shè)備，具體的研究?jī)?nèi)容主要包括以下四個(gè)工作：
　　1.通過(guò)以混合金屬有機(jī)框架Zn/Fe-MOF為模板，再將其在氮?dú)鈼l件下進(jìn)行煅燒得到ZnO/ZnFe2O

3、4@C納米復(fù)合材料的制備方法步驟少，操作簡(jiǎn)便。使用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡表征該納米復(fù)合材料，我們發(fā)現(xiàn)該ZnO/ZnFe2O4@C納米復(fù)合材料具有獨(dú)特的空心的3D核殼結(jié)構(gòu)，并且在超小的ZnO和ZnFe2O4納米晶表面均勻地包覆了由有機(jī)配體原位碳化得到的碳層。在電流密度分別為100 mA/g和200 mA/g時(shí)，由ZnO/ZnFe2O4@C制備的鋰離子電池在循環(huán)了100圈之后仍能釋放出1283 mA h/g和1100 mA h/g的

4、放電容量，遠(yuǎn)高于ZnO和ZnFe2O4的理論容量，并大大優(yōu)于石墨的理論容量。
　　2.以鋅-鈷沸石咪唑框架材料（Zn/Co-ZIF）為模板，用硝酸鎳刻蝕Zn/Co-ZIF模板得到鎳鈷鋅層狀雙氫氧化物（NiCoZn-LDH）。通過(guò)在空氣中煅燒獲得的NiCoZn-LDH得到多組分的金屬氧化物納米復(fù)合材料3NiO·2Ni3/2Co1/2ZnO4。該納米復(fù)合材料具有空心的十二面體結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)均一完整。在進(jìn)行充放電過(guò)程中該納米空心結(jié)構(gòu)有助

5、于鋰離子和電子的擴(kuò)散。當(dāng)復(fù)合材料3NiO·2Ni3/2Co1/2ZnO4作為鋰離子電池的負(fù)極材料，在電流密度為200 mA/g時(shí)，在充放電的過(guò)程中能釋放出1337 mAh/g的放電容量。該多組分的混合金屬氧化物納米復(fù)合材料不僅應(yīng)用于鋰離子電池時(shí)性能優(yōu)異，而且為復(fù)合材料的制備提供了一個(gè)多元化的方式。
　　3.三聚氰胺泡沫價(jià)格低廉，而且含有大量的碳元素和氮元素。此外，三聚氰胺泡沫具有獨(dú)特的三維的大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及超輕的質(zhì)量，經(jīng)過(guò)碳化后可

6、以制成氮摻雜的三維泡沫碳用以負(fù)載金屬氧化物得到作為鋰離子電池的負(fù)極材料。本工作中，我們用硝酸鈷作為前驅(qū)體溶液，通過(guò)水熱反應(yīng)和碳化處理后得到Co3O4/carbon foam(Co3O4/CF)納米復(fù)合材料。通過(guò)掃描電子顯微鏡表征發(fā)現(xiàn)四氧化三鈷呈納米針狀顆粒，并且能夠均勻地附著在碳化后的三聚氰胺泡沫碳上面。當(dāng)其作為鋰離子電池的負(fù)極材料時(shí)，在電流密度為200 mA/g條件下，循環(huán)了100圈之后仍然能夠釋放出1287 mAh/g的容量。此方法

7、不僅靈活簡(jiǎn)單，而且成本低。
　　4.將一種新穎的金屬有機(jī)框架材料包裹的碳納米管（CNT@MOFs）納米復(fù)合材料固載在柔性碳布電極（CC）上，再通過(guò)循環(huán)伏安法在其表面電聚合聚苯胺（PANI）得到柔性導(dǎo)電多孔性PANI-CNT@ZIF-67-CC電極用于構(gòu)建高性能的超級(jí)電容器。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明新制備的柔性電極PANI-CNT@ZIF-67-CC在掃速10 mV/s下面積比電容高達(dá)3511 mF cm-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了大多數(shù)電極材料，而