基于MOFs的碳材料的制备及其电化学性能研究

作     者：李海巍 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭文锋

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：Co3ZnC 碳纳米笼 双过渡金属碳化物 石墨烯 锂硫电池 

摘      要：随着电动汽车在汽车行业的极速发展,以石墨为负极的传统锂离子电池不能满足日益增长的需要,因此开发具有更高能量密度的锂离子电池和锂硫电池已成为国内外的研究热点,而MOFs衍生的碳材料具备其独有的优势,具有较高的比表面积、可控孔结构和导电网络等优点。本文采用室温搅拌法合成了不同比例的CoZnZIF-8材料,经过热处理合成了CoZnC材料并研究其储锂性能。在高温煅烧过程中,存在二甲基咪唑配体瓦解和金属粒子的迁移的现象,由此形成了外表较为粗燥的双金属嵌入碳纳米笼。当锌钴比为8:2时,即CoZnC-8:2,材料的倍率性能和循环性能最好;当电流密度为0.1 A g时,电极材料的放电比容量达到598 mAh g。在循环100圈后,放电比容量保持率在90%左右。材料的完整度越高,离子的运输路径越短,锂离子和电子就能更快速扩散,电池的容量越高;还有N原子的掺杂也可以增加更多的活性位点,增加锂离子的存储量。通过不同扫描速率的CV曲线计算出的电容贡献率在50%以上,可以判断电池为赝电容存储机制。因此将CoZnC-8:2材料构建为LIC电容器,在0.1 A g的放电比容量为53.55 F g,在1000圈之后仍能表现出较好的循环性能。本文采用室温搅拌法合成了CoO-N-C/rGO-S材料,CoO-N-C在包覆石墨烯后XRD中没有明显的衍射峰的变化,但衍射峰强度增强且碳峰位置存在左移,证明了石墨烯的存在。CoO-N-C/rGO-S的倍率性能和循环性能最好,在0.05C的倍率下,容量达到1325 mAh g,且在0.5C下的容量保持率为86%。CoO-N-C的本身容量较高,多孔碳材料的存在有助于锂离子的迁移,除此之外,石墨烯的褶皱形可以使硫能牢固地附着在片层上,还有效地缓解多硫离子的迁移,减小活性物质的流失。而且氮掺杂的存在有助于提高材料的导电性。优秀的电化学性能在实际生活中展现出应用前景。