静电纺丝制备过渡金属化合物与碳复合电极及其储能应用

作     者：赵明亮 

作者单位：福建工程学院 

学位级别：硕士

导师姓名：司军辉;蔡道平

授予年度：2023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：静电纺丝 氧化铁 锂离子电池 锂硫电池 

摘      要：锂离子电池因其能量密度和循环寿命方面的优越性,已经成为众多设备的主要能源,但是商用碳材料理论容量低,不能满足日益增长的能源需求。锂硫电池的理论容量以及能量密度远高于商用碳材料的锂离子电池,但是锂硫电池存在可溶性多硫化锂(Li PSs)、穿梭效应以及硫和不溶性硫化物的导电性差等问题,阻碍其实际应用。近年来,过渡金属氧化物因其较高的理论比容量和安全性好等优点而倍受关注,但存在导电性差、循环和倍率性能差等问题。非晶材料能够表现出独特的表面电子态,可能有助于提高电催化能力,而结晶材料的晶体结构长程有序,呈现出更快的电子运输和离子传输。综上,本文将碳基材料与不同结晶度的FeO相结合作为研究对象,利用各自的特点,得到了性能优异的锂离子电池负极材料和锂硫电池夹层材料。主要研究内容以及相应的结果如下:1.通过静电纺丝制备出碳纳米纤维(CNFs),随后通过水浴法在碳纳米纤维上生长出普鲁士蓝(CNFs@PB)。以CNFs@PB为前驱体,使用Na OH处理以及低温和高温退火,制备出非晶FeO复合碳纳米纤维材料(CNFs@A-FeO)和结晶FeO复合碳纳米纤维材料(CNFs@C-FeO)。2.为研究非晶结晶FeO在锂离子电池中的性能差异,将两种材料作为锂离子电池自支撑负极。结果表明,CNFs@C-FeO负极在电流密度高达5 A g时仍然具有372 m Ah g的高质量比容量(基于总质量),在0.2 A g的小电流密度下循环100圈后能够达到771.7 m Ah g的高可逆容量,同时在0.5 A g大电流密度下循环500圈后,质量比容量仍为559.9 m Ah g。突出的储锂性能主要由于高导电性CNFs与多孔结晶FeO复合,能够缓解充放电带来的体积膨胀,提供丰富活性位点,同时提高FeO的电导率。3.为研究结晶非晶FeO在锂硫电池中的性能差异,将CNFs@A-FeO和CNFs@C-FeO作为锂硫电池的夹层材料。非晶FeO存在不饱和电子配位和丰富的缺陷位点,有利于提高对多硫化锂的转化。可视化吸附方面,CNFs@A-FeO表现出更加优异的LiS吸附性能,在对称电池和LiS沉积测试中,CNFs@A-FeO表现出更高的峰值电流和LiS沉积量,表明其优越的电催化性能。电化学测试中,CNFs@A-FeO夹层的锂硫电池在5 C大电流密度下仍然具有632.7 m Ah g的质量比容量,且在2 C时循环500圈后容量为519.4 m Ah g。