钼基复合负极材料的构筑及锂电性能研究

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随着社会的发展,人类对能源的需求越来越大,开发经济环保,便携高效的新能源或新型储能器件成为众多学者的研究目标,其中锂离子电池(LIBs)以其优异的表现引起了越来越多的关注,而寻找循环性能和倍率性能良好的负极材料成为提升锂离子电池性能的突破口。其中钼基复合材料因其独特的形貌、高理论容量和良好的导电性而具有优异的电化学性能,被认为是一类很有前景的锂离子电池负极材料。基于此,本文以钼基化合物作为构筑核心,成功制备了多种钼基复合材料并将其作为锂离子电池负极,对其储锂性能进行了研究。本研究表明了钼基复合材料有比容量高,循环稳定性好等优点,并且确立了一种钼基多酸有机金属框架(POMOF)的合成方法,硕士期间具体工作内容如下:(1)使用一步水热法合成MIL-88A@PMo12微棒复合材料。首先将Fe Cl3溶解在水中,将富马酸溶解在乙醇中,并在常温下将两种溶液混合搅拌后加入磷钼酸,继续搅拌后在65°C下溶剂热反应72 h,自然冷却后得到MIL-88A@PMo12微棒。MIL-88A@PMo12微棒在作为锂离子电池负极时表现出优异的电化学性能,在0.2 A g-1下进行100次循环后表现出1062.1 m Ah g-1的高比容量,在1 A g-1电流密度下循环300次循环仍能提供490.8 m Ah g-1的比容量,而纯MIL-88A在对等条件下提供的比容量仅为553 m Ah g-1和358 m Ah g-1。比较后证明,MIL-88A@PMo12在循环稳定性和倍率性能方面都更胜一筹。这是因为磷钼酸根(PMo12)优异的电化学性能配合MIL-88A独特的骨架结构更好的发挥了两者的优势,使材料在电极反应中具有更快的动力学速率。由于醇的引入降低了富马酸阴离子的反应活性,使PMo12和MIL-88A成功的进行了复合,所以这项工作还提出了一种有关POMOF的构筑思路。(2)通过分层包覆的方法合成C@Mo O2@C空心纳米球复合材料。首先使用通过氢氟酸酸洗和退火两步处理过的酚醛树脂包覆Si O2球来制备空心碳球(HCS),随后对空心碳球进行Mo O2和C的逐层包覆,最终得到C@Mo O2@C空心纳米球复合材料并将其作为锂离子电池负极研究其锂电性能,作为对比的C@Mo O2也进行了对等的电化学测试,其中,C@Mo O2@C和C@Mo O2在电流密度为0.2 A g-1下循环250圈后,比容量分别为750 m A h g-1和319 m A h g-1。证明了二氧化钼复合材料具有良好的锂电性能,其中额外包覆碳层后性能显著的提高得益于三层结构的高稳定性以及再复合碳后的高导电性。(3)通过一步水热法合成MIL-88B@PMo12纳米八面体复合材料。同样使用了以羧酸作为配体的金属有机框架作为构筑基础,具体为MIL-88B。通过向反应体系中引入醇推动PMo12和MIL-88B进行复合,还探究了不同反应物浓度对产物形貌的影响。将MIL-88A@PMo12纳米八面体复合材料作为锂离子电池负极时,表现了优秀的倍率性能和良好的循环稳定性,其初始放电比容量为1952 m Ah g-1,在电流密度为0.2A g-1进行130次循环后表现出549.8 m Ah g-1的比容量。这种新型POMOF的成功合成为进一步研究提供了模板,为上述POMOF的构筑思路提供了验证。
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