基于金属有机框架衍生物的制备及其在锂离子电池中的应用研究

作     者：宋佳骏 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：段潜

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：锂离子电池 金属有机框架 氧化石墨 静电纺丝 纳米纤维 

摘      要：锂离子电池由于具有电压高、比能量高、工作温度宽、维护简单、工作寿命长等优点,已经成为便携电子产品和新能源汽车的主要动力源。但是,由于商业化锂离子电池的石墨负极容量有限,已经无法满足日益提升的社会对电池需求。相比之下,过渡金属/碳复合材料则展现出高的理论比容量,被视为有前景的候选电极材料。而利用金属有机框架衍生的过渡金属/碳复合材料,在众多的锂离子电池负极材料中具有很强的竞争力。基于此,本论文由一种金属有机框架(ZIF-67)材料作为牺牲模板,采用两种简单不同的复合方法制备其衍生的复合材料。将得到的复合纳米碳材料作为锂离子电池的负极材料,并制作成为锂离子半电池,探究其在锂离子电池中的电化学性能。具体工作如下:(1)Co/NC/RGO复合材料的制备及其在锂离子电池中的性能研究首先将室温溶液法制备的ZIF-67材料与氧化石墨烯(GO)冻干复合,然后在不同气氛(N和Ar/H)下高温煅烧制备了不同的双碳层包覆钴纳米粒子的Co/NC/RGO复合材料。通过XRD、FTIR和SEM等表征手段,研究了复合材料的结构与形貌,复合材料能够良好地保持石墨烯的层状结构,并且由于ZIF-67骨架结构坍塌,能够使N和Co掺杂在石墨烯的结构中。电化学性能测试结果表明,煅烧后的两种材料均表现出较好的电化学性能,包括在0.05 A g电流密度下的高的首次放电容量1449.3和892.6 m Ah g;在电流密度增加至2 A g比容量仍能保持在290和200 m Ah g。(2)氮掺杂碳纤维表面负载Co纳米颗粒复合材料的制备及其锂离子电池性能研究首先利用静电纺丝技术制备聚丙烯腈(PAN)/醋酸钴(Co(Ac)2)纳米纤维,然后利用室温溶液法在其表面原位生长ZIF-67,最后利用高温煅烧的方法制备碳纤维表面负载Co纳米颗粒的CNCF-800复合材料。通过XRD、FTIR和SEM表征方法可知,ZIF-67纳米颗粒均匀分布在纤维表面上,复合材料经过碳化后能够保持原本的纤维结构。电化学性能测试结果表明,首圈的放电/充电比容量为898.1 m Ah g/622.6 m Ah g,首圈库伦效率为69.1%。在1 A g的高电流密度下,具有超常的循环稳定性,即循环至1000圈后,放电容量仍能够保持在202.2 m Ah g。同时,材料具备良好的倍率性能,在电流密度为2 A g时,比容量仍能保持在163.8 m Ah g。