MOF基柔性电极材料的可控制备及其在可弯曲储能器件中的应用研究

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随着传统化石能源消耗急剧增加,水污染及大气污染严重影响了人类的日常生活。绿色、安全、高效、可再生的能源越来越成为人们关注的焦点,因此需要高效的储能器件。其中,可充电电池作为一种可靠的电化学储能装置,引起了人们的广泛关注。此外,随着人们对可穿戴电子器件的需求不断增加,具有柔性、安全、轻质、高储能、长寿命、机械稳定等特点的柔性储能器件的开发也愈发重要。当前的可充电电池的电极的材料大多由传统的压片工艺以及添加粘结剂制备,存在循环稳定性差,能量密度低,不可弯折等问题,限制了其在柔性储能器件中的实际应用。开发具有高稳定性、高柔性、高能量密度的电极材料成为了柔性储能器件发展及应用的关键。金属-有机框架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)主要由金属离子/离子簇和有机配体通过络合作用配位形成,其具有比表面积大,孔道结构可调等特点,在选择性催化、气体储存、化学分离和药物输送等方面极具潜力。此外,以MOFs作为前驱体制备的衍生物被广泛应用于清洁能源存储与转化系统。本论文以MOFs衍生过渡金属材料为研究对象,围绕着MOFs基衍生材料的可控制备与组装及在柔性可弯曲储能器件中的应用开展了相关工作。具体研究内容如下:(1)开发了一种通用、简单的湿法纺丝法,实现了MOF/氧化石墨烯(GO)复合纤维及其衍生物的可控制备。通过控制实验条件,调控MOF/GO及其衍生多孔金属氧化物/还原氧化石墨烯(r GO)复合纤维的组成与结构。系统研究了煅烧时间和温度等实验参数对多孔金属氧化物/还原氧化石墨烯复合纤维组分与结构的影响,及其对储锂性能的影响规律。得到的多孔复合纤维由于具有独特的结构优势,表现出较高的比容量(在0.5 A g-1时循环200圈后为846.9 m Ah g-1)、优异的倍率性能(2 A g-1时为745.0 m Ah g-1)和较好的长循环稳定性(5 A g-1电流密度下循环500次后,库仑效率为98.6%)、较好的柔韧性等特点。复合纤维的优异性能归因于以下两个方面:MOFs衍生得到的多孔结构改善传质性能,促进电化学反应动力学;包覆在多孔金属氧化物上的石墨烯纳米片不仅可以为电子传输提供导电网络,而且可以防止金属氧化物的聚集。(2)通过简单的水热合成以及两步煅烧法,实现了二硒化钴纳米片/氮掺杂碳纳米管(Co Se2-NCNT NSA)柔性电极的可控制备。制得的展现了良好的析氢反应(HER)、析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)活性,该自支撑电极作为正极材料应用到液态锌空电池和柔性锌空气电池时,均表现出优异的性能。特别地,基于空气阴极的液态锌空电池在235小时内显示出优异的长循环稳定性,优于商业电极。以为自支撑电极的柔性锌空气电池在宽的温度窗口(0-40℃)下表现出优异的机械灵活性和耐久性。的优异性能可归因于合理的结构设计,使其具有高本征催化活性、高电导率、增强的结构稳定性、强电极-电解质相互作用力和较大的电极-电解质界面。
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