【摘 要】
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凭借使用方便、性能可靠的优点,锂离子电池被广泛应用于人们的生活中。然而,现阶段商业化锂离子电池受到电极材料理论容量低的限制,其使用体验已经不符合人们对于高性能电池的期望,提高锂离子电池的电化学性能势在必行。研究表明,通过解析电极材料的结构并对其进行优化可以有效改进锂离子电池的电化学性能。在众多负极材料的设计模板中,金属-有机骨架材料凭借比表面积大、孔隙率高、功能位点多样和结构可设计的优势,在锂离子
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凭借使用方便、性能可靠的优点,锂离子电池被广泛应用于人们的生活中。然而,现阶段商业化锂离子电池受到电极材料理论容量低的限制,其使用体验已经不符合人们对于高性能电池的期望,提高锂离子电池的电化学性能势在必行。研究表明,通过解析电极材料的结构并对其进行优化可以有效改进锂离子电池的电化学性能。在众多负极材料的设计模板中,金属-有机骨架材料凭借比表面积大、孔隙率高、功能位点多样和结构可设计的优势,在锂离子电池负极领域崭露头角。同时,为进一步优化负极材料的结构,提高锂离子电池的电化学性能,我们借助离子液体具有蒸汽压低、不易挥发、溶解性强、离子电导率高和结构稳定的优点,将其封装于金属-有机骨架材料的孔洞中来提升复合材料的电化学性能。本文以金属-有机骨架材料中的沸石咪唑酯骨架结构材料作为研究对象,通过高温碳化,与离子液体进行复合,制备多种沸石咪唑酯骨架结构衍生材料,并将其应用在锂电池负极材料中,具体结果如下:(1)我们用硝酸锌、二甲基咪唑作为原材料,以甲醇为溶剂,通过溶剂热的方法合成了ZIF-8,分别在400、600、800和1000℃下进行碳化处理,制备了ZIF-8-400、ZIF-8-600、ZIF-8-800和ZIF-8-1000。结合XRD和XPS测试结果,我们发现随着碳化温度的升高,ZIF-8结构中吡咯型氮向嘧啶型氮进行转变,ZIF-8-600只含有吡咯型氮,ZIF-8-1000只含有嘧啶型氮,ZIF-8-800同时含有吡咯型氮和吡啶型氮。根据BET测试结果,我们发现ZIF-8-1000的比表面积最大,为1283 m~2g-1,ZIF-8-800比表面积为573 m~2g-1,ZIF-8-600比表面积为228 m~2g-1。在100 m A g-1的测试条件下进行90次充放电循环后,ZIF-8-800电极表现最好,其容量保持为353 m Ah g-1。本项工作揭示了ZIF-8的结构随着碳化温度变化的衍变过程,并找到了用作锂电池负极材料的最佳碳化温度。(2)我们使用双三氟甲磺酰亚胺锂作为添加剂,将其与沸石咪唑酯骨架结构材料进行复合,制备了一系列不同离子液体负载比例的IL@ZIFs复合材料。通过TG结果验证了双三氟甲磺酰亚胺锂与沸石咪唑酯骨架结构材料复合后,整体材料的热稳定性得到了提升。借助Zeta电位测试结果,我们发现基于主客体相互作用,双三氟甲磺酰亚胺锂被封装于沸石咪唑酯骨架结构材料的孔洞内。通过一系列电化学测试,我们发现双三氟甲磺酰亚胺锂负载比例为50%的复合材料表现最好,在100 m A g-1的测试条件下进行240次充放电循环后,其容量仍保持有440 m Ah g-1,库伦效率接近100%,同时其倍率性能也表现出色。本项工作揭示了双三氟甲磺酰亚胺锂与沸石咪唑酯骨架结构材料的结合方式,证实了复合材料的电化学性能得到了显著提高,且整体复合材料结构稳定,适宜用作锂电池负极材料。
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