MOF衍生Bi2O3形貌调控及其在水系碱性电池中的性能研究

作     者：马艳婷 

作者单位：江西科技师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡长员;郑世政

授予年度：2022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：Bi-MOF Bi2O3 形貌调控 水系碱性电池 NiCo-LDH BiOCl 

摘      要：水系碱性电池在缓解能源短缺和环境污染问题上发挥着至关重要的作用。通过合理设计电极材料的微观结构可有效促进电子与离子传输能力,提高电极的实际比容量和稳定性,进而提高电池性能。由于高理论容量、氧化还原过程可逆、工作电位窗口宽、易于制备、环境友好的特点,电池型电极材料BiO已被认为是有前景的电极材料。然而,由于其导电性差以及表面快速的氧化还原过程造成电容量和循环稳定性不足。理论上,理想的电容材料应具有i)高比表面暴露更多电化学活性位点;ii)优异导电性加速电子转移;iii)多孔结构促进电解质扩散;iv)高结构稳定性缓解离子插入/脱出过程对结构的破坏。金属有机框架(MOF)是由金属离子和有机配体自组装而成的具有周期性网络结构的3D多孔材料。由于形貌、组分与孔隙的高度可调性,MOFs常作为前驱体或模板可控地构建电极材料。本文主要以Bi-MOF材料为前驱体,采用不同方法制备BiO,并调控其形貌,同时制备其他Bi基衍生物,将其用作电极材料,探究其电化学性能及性能提高机制,构建高能量密度和稳定性的电池器件。本文主要研究内容如下:1.Bi-MOF衍生棒状α-BiO的简单制备与电极性能研究通过溶剂热方法制备Bi-MOF。以Bi-MOF为前驱体,碱性水解得到实心棒状α-BiO。该方法具有简单、快速、大规模制备的特点,能降低电极成本。电化学性能测试表明,α-BiO在1 A g时表现出高比容量,当电流密度扩大6倍时,电容量仍达到92.8 m Ah g,高于文献中的报道数值。循环2000次后,电容量保留率为70%。2.Bi-MOF衍生多级α-BiO作为Ni/Bi碱性电池高性能阳极以Bi-MOF为前驱体,通过控制煅烧温度与时间制备具有高表面积和孔隙率的多级BiO。SEM表明BiO由纳米片自组装而成,有利于暴露更多电化学活性位点以及加速电解质扩散,因而其表现出高比容量(219.4 m Ah g,1 A g)。经过2000次循环后,电容保留率为83%。同样MOF模板法合成的中空结构Ni Co-LDH在1 A g时获得高电容量以及良好的倍率性能和稳定性。因此,组装成的Ni/Bi水溶液碱性电池表现出高能量密度36.8 Wh g和可观的稳定性。3.Bi-MOF衍生高性能多级β-BiO与超长寿命Bi OCl@C阳极由单一金属有机骨架通过碳化和后处理方法制备高性能阳极β-BiO和超长寿命的C@Bi OCl,电极材料表现出高比表面积。由于多级β-BiO带隙窄、碳层厚度适宜和高孔隙率,能加速电荷转移与离子传输,从而提高电容量(278.3 m Ah g,1 A g)。优异的稳定性得益于连续充放电过程中形貌转变增大比表面积。对于C@Bi OCl阳极,材料很好地保持了原有MOF的骨架结构,且形成原位碳包裹的超薄Bi OCl纳米片结构,可避免纳米片的堆叠与团聚。由于以上结构特点,C@Bi OCl可提供丰富的反应活性中心、离子运输通道以及增强结构稳定性,最终获得高电容量和超长循环稳定性(94%,15000)。