Co基多孔金属/石墨烯复合材料制备及电化学性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong574
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近年,作为新型锂离子电池负极材料的钴硫属化合物(CoxAy,A=O,S),因其具有较高的理论容量、自然丰度高、价格适宜等优点,引起研究者的广泛关注。但其存在导电性差、首次库伦效率低、充放电过程中体积膨胀等问题,使其应用研究受到限制。因此,亟待开发导电性好、结构稳定的电极材料来克服上述缺点。  金属有机骨架化合物(MOFs)是一种有序排列的三维结构材料,具有比表面积大、官能团丰富和孔径可调等特性,在催化、光传感、能量存储等领域具有很好的应用前景。由于具有独特的结构、较大的比表面积、丰富的碳基团等多种特性,MOFs可以作为有效的牺牲模板或前驱体来构造结构新颖的多孔材料。尽管MOFs制备的多孔材料在结构上有很多优势,但是其导电性差仍制约其可逆容量的提高。还原石墨烯,作为一种典型的碳材料,具有较高的导电性和化学稳定性,可以加入到锂离子电池电极材料中来改善其电化学性能。本论文工作以MOFs为模板,将其与石墨烯复合,设计合成了钴基多孔金属硫属化合物复合材料,并对材料的结构特性及储锂性能进行研究。主要取得如下成果:  1)通过共沉淀法制备了包覆/三明治结构的rGO@Co3O4和Co3O4-rGO-Co3O4多孔复合材料。将该复合材料用于锂离子电池负极时表现出优异的储锂性能。在100mA g-1的电流密度下,材料的首次放电容量分别为1451和1344mA h g-1;具有良好的循环稳定性,循环100次后容量保持率分别为96%和95%;以及较好的倍率性能,在2000mA g-1的电流密度下,仍可释放出328和450mA h g-1的比容量。  2)通过对MOFs/GO前躯体进行硫化合成了CoSx-rGO-CoSx和rGO@CoSx复合材料。通过改变金属钴离子与有机配体的比例及溶剂的组成,GO可以被调控为包覆层或支撑层。当其作为锂离子电池负极材料时表现出优异的电化学性能,如较高的初始放电比容量,在100mA g-1的电流密度下,首次放电容量分别为1248和1320mA h g-1;好的循环稳定性,充放电循环100次后,仍可释放出670和613mA h g-1的比容量。  分析认为,rGO/CoxAy复合材料具有的优异电化学性能主要归因于:(1)石墨烯较好的延伸性和导电性,(2)MOFs导出的过渡金属硫属化合物复合材料的多孔结构可以提高电解液的渗透同时缩短电子/离子的扩散距离;(3)石墨烯的加入可以提高材料的导电性,进而提高电子转移速率;同时石墨烯可以缓解充放电循环过程中的体积变化,提高电极的结构稳定性。
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