基于金屬有機框架制備的金屬氧化物-碳的復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極的應(yīng)用.pdf

1、鋰離子二次電池作為一種新型清潔可再生能源，吸引了越來越多的科學(xué)研究人員的興趣和社會大眾日益增加的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對鋰離子電池性能的要求也就越來越高，而目前鋰離子電池的容量和性能已經(jīng)達(dá)到瓶頸。原因在于當(dāng)前的商業(yè)化鋰電池的負(fù)極材料石墨的理論容量只有372mAh/g，這極大地限制了鋰離子電池向前發(fā)展。提升鋰離子電池負(fù)極材料的性能是改進鋰離子電池性能的一個有效途徑。因此研究者們開始致力于研究新型高容量復(fù)合材料用于替代石墨負(fù)極材料，

2、例如：金屬氧化物和碳的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料充分地利用了金屬氧化物和碳材料的優(yōu)勢，不僅可以大大地提升整個材料的導(dǎo)電性，還有助于提升材料的理論容量。因此，金屬氧化物和碳的復(fù)合材料是一種理想的鋰電池負(fù)極材料。
　　本論文主要圍繞基于金屬有機框架(MOFs)制備金屬氧化物及碳的復(fù)合材料及其應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料，具體研究內(nèi)容包括以下四個工作：
　　1.以鋅-鐵-沸石咪唑框架（Zn-Fe-ZIFs）作為犧牲模板和前驅(qū)體合成制備了碳

3、納米管包裹的多孔碳/金屬氧化物(ZnFe2O4/C@NCNT)的復(fù)合材料，其尺寸均勻，形貌新穎。利用多種測試手段對該材料進行了詳細(xì)地表征，并且對材料進行了電池性能測試。發(fā)現(xiàn)該材料的的性能遠(yuǎn)好于商業(yè)石墨。初次放電容量達(dá)到2200mAh/g，在100mA/g的電流密度下，經(jīng)過100圈循環(huán)之后，容量依然維持在844mAh/g。并且在1A/g的大電流下，容量有747mAh/g。該材料良好的電化學(xué)性能主要是由于ZnFe2O4納米顆粒均勻地分布在整

4、個多孔碳中，且材料外圍包覆著NCNTs的框架結(jié)構(gòu)。因此，該ZnFe2O4/C@NCNT納米復(fù)合材料在鋰電池方面存在潛在的應(yīng)用價值。
　　2.為了緩解材料在嵌鋰和脫鋰過程中的體積形變，我們利用水熱法合成了空心的球形MOFs，形成了內(nèi)部具有空腔的空心結(jié)構(gòu)，顆粒大小均一，很好地緩解了體積形變效應(yīng)，保持了一個比較高的容量。通過高溫?zé)峤獾玫降腪nO/C復(fù)合材料的電化學(xué)性能比沒有碳包覆的空心ZnO和商業(yè)ZnO都要高。在相同的100mA/g的電

5、流密度的條件下，經(jīng)過100次測試，空心ZnO/C的放電容量可以有750mAh/g，而沒有碳包覆的ZnO和商業(yè)ZnO分別只有289mAh/g和248mAh/g。由此可見，碳包覆和空心結(jié)構(gòu)起到了很好的效果。
　　3.通過煅燒合成的Fe-MOF，形成了石墨化的碳包覆的四氧化三鐵復(fù)合材料。采用透射電鏡和掃描電鏡觀察了形貌并對其電池性能做了研究。獨特的八面體結(jié)構(gòu)的Fe3O4/C在鋰離子嵌入和脫出過程中都起到很好的促進和增強作用，在100mA

6、/g電流密度下，循環(huán)了100圈之后，容量達(dá)到了861mAh/g，并且在電流密度高達(dá)1A/g下，容量有450mAh/g，遠(yuǎn)高于商業(yè)石墨的理論容量。
　　4.先通過合成球形的氧化鋅作模板，在其表面原位合成一層ZIFs，生成核/殼ZnO@ZIF-8復(fù)合材料。這有效地提高了材料的比表面積，緩解充放電過程中ZnO晶體的體積形變。測試結(jié)果表明核殼結(jié)構(gòu)的ZnO@C具有非常優(yōu)異的容量和倍率性能。我們發(fā)現(xiàn)在100mA/g電流密度下，經(jīng)過100次充放