【摘 要】
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随着能源危机的日益严重和储能技术的快速发展,锂硫电池因为高的理论比容量和环境友好等优点,成为继锂离子电池体系以来最具有研究价值和应用前景的储能电池体系。但低的导电性、“穿梭效应”引起的活性材料的流失、体积膨胀导致的材料粉化等缺点,使得锂硫电池难以体现其优势。金属有机框架材料(MOFs)因为丰富的不饱和金属位点、丰富的孔隙、结构可调等特性,逐渐成为锂硫电池正极材料的研究热点。为了解决MOF材料本身导
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随着能源危机的日益严重和储能技术的快速发展,锂硫电池因为高的理论比容量和环境友好等优点,成为继锂离子电池体系以来最具有研究价值和应用前景的储能电池体系。但低的导电性、“穿梭效应”引起的活性材料的流失、体积膨胀导致的材料粉化等缺点,使得锂硫电池难以体现其优势。金属有机框架材料(MOFs)因为丰富的不饱和金属位点、丰富的孔隙、结构可调等特性,逐渐成为锂硫电池正极材料的研究热点。为了解决MOF材料本身导电性差等问题,通过碳化、碳材料包覆等复合手段结合金属有机框架材料本身的特性能够获得高容量、长循环寿命锂硫电池的正极材料。主要研究内容如下:(1)以金属有机框架MIL-88-Fe为基底材料,通过高温碳化和碳纳米管的复合进行改性。结果发现:(a)当碳化温度为500℃时,MIL-88-Fe-500能够基本保持原形貌并能够获得优异的电池性能。0.05 C下初始放电比容量993.3 m Ah/g,循环70圈后590.04 m Ah/g的容量保持。同时通过与多孔碳和多孔Fe2O3材料的比较,更加确定了其良好的电化学性能是由于Fe2O3和C的复合作用;(b)当CNT的添加量为50 mg时,能够获得良好的循环稳定性循环96圈后保持398.5 m Ah/g优于MIL-88-Fe材料。(2)以金属有机框架pacs-Fe为基底材料,通过碳化改性提高锂硫电池性能。有机配体DMPU的加入,pacs-Fe能够实现分割孔道,从而能够保证元素硫的均匀分布,并增强对多硫化物的物理束缚。结果表明:S/pacs-Fe复合材料在0.1 C倍率下的初始放电比容量为787.5 m Ah/g,循环100圈后获得208.5 m Ah/g的容量保持优于MIL-88-Fe电极材料的循环性能。碳化改性后,S/pacs-Fe-500在1 C下的初始放电比容量为366.6 m Ah/g,循环76圈后能够保持到316.3 m Ah/g,表现出较高的高倍率充放电性能。(3)以金属有机框架Fe-soc为基底材料,高对称、高稳定性的偶氮四羧酸能够缓解体积膨胀,抑制多硫化物,提高电池循环性能。通过添加碳纳米管和还原氧化石墨烯实现电池性能的提升。结果表明:S/Fe-soc@r GO在0.1 C下具有一个高的初始放电比容量1634.3 m Ah/g和良好的比容量保持率100循环后稳定在865.7m Ah/g,在0.5 C下,200个循环后分别获得高的可逆放电比容量638 m Ah/g。整体研究以三种Fe基金属有机框架材料为基底制备锂硫电池正极材料,单就MOF而言可以发现Fe-soc明显优于其他两种MOF,这是由于对称稳定的立方体结构更能增加硫的利用率,同时可以缓冲体积膨胀。偶氮四羧酸中的羧基和氮元素能够辅助吸附硫与多硫化物。可以获得更高的锂硫电池的性能。对三种MOF分别进行改性后,各自的电池性能也得到了提升,但以S/Fe-soc@r GO为最优。这是因为Fe-soc与r GO的协同作用,r GO提升了复合材料本身的导电性,并辅助Fe-soc束缚硫和多硫化物,加快电解液浸润,提高离子电子传输速率,进而提升了锂硫电池的循环稳定性和高倍率性能。
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