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铜掺杂ni-MOF衍生物在镁-硫电池正极中的应用

铜掺杂Ni-MOF衍生物在镁-硫电池正极中的应用

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作者：孙玉洁太原科技大学

学位级别：硕士

镁-硫电池（硫正极,镁负极）因其高的理论能量密度和安全性,以及成本低廉的优点在新型储能体系具有更广泛的前景。然而,由于硫反应动力学差、可溶性多硫化镁“穿梭效应”带来的活性物质利用率低、以及镁负极钝化,使得镁-硫电池的研究和... 详细信息

镁-硫电池（硫正极,镁负极）因其高的理论能量密度和安全性,以及成本低廉的优点在新型储能体系具有更广泛的前景。然而,由于硫反应动力学差、可溶性多硫化镁“穿梭效应”带来的活性物质利用率低、以及镁负极钝化,使得镁-硫电池的研究和开发仍处于初期阶段。镍基金属有机框架（ni-MOF）衍生物具有催化活性强、合成方便、以及成本低等优点,具有作为高效硫载体材料的巨大潜力。铜具有高的电导率、催化活性强和成本低等优点。因此,铜镍协同效应将有效吸附可溶性多硫化镁,抑制穿梭效应,提高活性物质利用率,降低镁负极钝化,从而增强镁-硫电池放电、倍率和循环性能。本论文以ni-MOF衍生物（ni-nio-c）作为基体,通过不同的方式实现铜掺杂,构建了铜掺杂的ni-nio-c作为镁-硫电池宿主材料。通过XRD、XPS、BET、TG、SEM、EDS、TEM以及EDX等测试手段进行相关表征;对一系列正极材料进行了电化学性能测试,并深入探讨了电极材料的吸附、催化以及充放电机理。得到的主要结论如下:（1）通过简单的溶液热法成功地合成了双金属cu/ni-MOF,然后衍生得到了具有高催化和吸附活性的多功能电极材料cu-cu2O/ni-nio/c作为镁-硫电池的宿主材料。中空结构为活性材料提供了充足的空间。氮掺杂碳纳米片的掺入确保了电子和镁离子在电极材料内的有效传输。cu-cu2O的掺杂不仅增强了电极材料内部氧化还原反应的完整性,而且提高了化学锚定多硫化镁的能力,有效抑制了多硫化镁的穿梭效应,提高了活性物质的利用率。结果表明,当面载量为3.50 mg cm-2时,它在1 A g-1下的比放电容量为870.0 m Ah g-1。循环500次后,容量保留率为70.45%,每圈容量衰减率为0.068%。（2）将铜粉和ni-MOF衍生物通过简单机械球磨方式得到了cu/ni-nio/c-S作为镁-硫电池的正极材料。铜单质（铜粉）为电极材料提供了丰富的导电性,有效提高了电池内部的反应动力学。分布于ni-nio/c表面和内部的铜粉增大了宿主材料和活性物质的接触面积,增强了铜镍的协同效应（催化和吸附）,缓解了多硫化镁的穿梭效应,表现出了优异的电化学性能。结果表明,当面载量为3.73 mg cm-2时,在1 A g-1下循环500次后,容量保留率达到了82.58%,每个循环容量衰减率仅为0.048%。

关键词：镁-硫电池正极材料多硫化镁 cu-cu2O/ni-nio/c cu/ni-nio/c

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