鋰-鈉離子二次電池多孔電極材料的制備與研究.pdf

1、相比傳統(tǒng)的鉛酸電池，鎳鎘電池及鎳氫等二次電池，鋰離子電池具有比能量大、循環(huán)壽命長、效率高、以及自放電率小、無記憶效應(yīng)，無污染等諸多優(yōu)勢，因而被廣泛應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能領(lǐng)域。受限于鋰元素的成本以及資源問題，鈉離子也逐漸受到研究者和企業(yè)的重視。作為鋰/鈉二次電池重要的組成部分，電極材料是制約電池自身電化學(xué)性能的決定性因素。一般地，電池容量衰退和循環(huán)壽命下降多為鋰離子多次脫嵌造成的電極材料膨脹粉碎所致，鈉離子更甚。為此，現(xiàn)有的解決方案包括制備

2、特殊結(jié)構(gòu)的電極材料（納米結(jié)構(gòu)或多孔結(jié)構(gòu)），摻雜以及復(fù)合碳基材料等。其中多孔結(jié)構(gòu)的電極材料不僅能夠緩沖相應(yīng)的體積膨脹，還可以增加電極與電解液的接觸面積，便利離子的傳輸遷移。
　　因此，本文以金屬有機(jī)框架化合物(MOF)為前驅(qū)體，制備了一系列具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化物和硫化物作為鋰/鈉二次電池的電極材料。通過空氣氛熱解HKUST-1制備了多孔結(jié)構(gòu)CuO納米球;通過氬氣氛硫化HKUST-1的方法合成了碳包硫化亞銅納米片C@Cu1.96S;利用

3、氮?dú)夥罩苯訜峤庋趸?NH2-MIL(125)的復(fù)合前驅(qū)體制備了G-NC@TiO2的復(fù)合材料。進(jìn)而對(duì)上述材料的成分以及結(jié)構(gòu)做了詳盡分析，并測試了其作為鋰/鈉二次電池電極材料的電化學(xué)性能，對(duì)比驗(yàn)證了本文中所制備的多孔電極材料在電化學(xué)性能方面具有極大優(yōu)勢。本文主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)通過溶劑熱法制備金屬有機(jī)框架化合物HKUST-1作為前驅(qū)體，空氣中程序升溫?zé)峤庵苽淞硕嗫捉Y(jié)構(gòu)的納米球狀CuO，其作為鈉離子電池負(fù)極，初始可逆容量

4、高達(dá)612mAhg-1，50周循環(huán)后仍有83％的容量持有率，同時(shí)具有良好的倍率性能。另外，交流阻抗譜擬合結(jié)果顯示多孔CuO材料擁有更低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，優(yōu)于普通的納米CuO。
　　(2)通過氬氣保護(hù)氣氛下煅燒HKUST-1和硫粉的混合物合成了C@Cu1.96S納米復(fù)合材料，其中C@Cu1.96S呈多孔的納米薄片結(jié)構(gòu)，BET測試表明納米薄片的比表面積高達(dá)121m2g-1。電化學(xué)性能測試表明C@Cu1.96S作為鋰離子電池正極材料具有優(yōu)

5、良的循環(huán)和倍率性能。
　　(3)通過溶劑熱合成并熱解氧化石墨烯/NH2-MIL(125)的復(fù)合物，制備了石墨烯負(fù)載的氮摻雜碳復(fù)合納米二氧化鈦(G-NC@TiO2)，其中的碳基復(fù)合納米TiO2(NC@TiO2)具有多孔的梭形結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極材料一方面可以緩沖體積膨脹和縮短離子遷移路徑，另一方面石墨烯的包覆和碳基材料的復(fù)合可有效的提高電子導(dǎo)電率。實(shí)驗(yàn)證明，G-NC@TiO2具有優(yōu)異的倍率性能和超長的循環(huán)壽命（甚至5000周