金属有机框架(MOFs)材料在锂硫电池上的应用及改性

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目前锂硫电池在广泛工业化之前有以下几个问题需要解决:首先,由于硫的电导率很低,所以会导致电池的活性物质利用率有限且材料的活性不足。其次,锂的电化学反应过程中产生的多硫化物的中间体是可溶于电解质的,从而导致活性物质的持续损失和随后的穿梭效应。此外,不易溶解的短链硫化物沉积在Li负极表面上,从而导致锂负极的失活。因此需要一种能抑制多硫化物且导电性好的原料,然后将其载硫作为锂硫电池的电极材料,从而得到性能理想的电池。金属有机框架材料(MOFs)因高孔隙率、结构可控和氧化还原活性可调等特点被广泛应用于各个领域,但众所周知,金属有机框架材料有一个普遍的缺点就是导电性差,因此,本文选择了两种类型的金属有机框架材料,并用不同碳材料分别对两种金属有机框架进行改性,将改性后的MOFs/碳材料用于锂硫电池电极材料主体部分。这样就同时结合了MOFs和碳材料的双重优点,有利于得到高性能的锂硫电池。本文以两种碳材料改性的MOFs作为锂硫电池正极材料为主要研究对象,主要开展了以下三个方面的工作。(1)由于双金属MOF-174 In/Mn中In与S之间的作用力远高其他金属,所以其有益于固定硫;Mn元素可以在反应过程中对材料的结构有支撑作用,一定程度上可以抑制锂硫电池内的穿梭效应和反应过程中的体积膨胀。以双金属MOF-174 In/Mn为主要研究对象,分别用不同碳材料对其进行改性并对改性后形成的MOF衍生材料进行研究。(2)类似的,由于Ce-MOF-808特殊的微孔/介孔复合结构以及其内部存在的金属氧化物Ce O2,而Ce O2纳米颗粒可以很好地吸附和催化多硫化物的转化,选用Ce-MOF-808作为主要研究对象,分别用不同碳材料对其进行改性并对改性后形成的MOFs/碳材料复合材料作为锂硫电池正极材料从形貌表征和电化学测试等方面进行相关研究。(3)最后,综合前两章的实验及测试结果,可以看出,相比于其它复合材料,Ce-MOF-808@S/PPy在作为锂硫电池电极材料时便显出了更加优异的性能,从而进一步研究了Ce-MOF-808@S/PPy制备过程中加入不同含量的吡咯单体对锂硫电池最终性能的影响。
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