基于MOFs的氧化物/炭锂离子电池负极材料的制备及电化学性能研究

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金属有机骨架(MOFs)材料是由金属离子或金属团簇与有机配体构成的晶体材料,作为一种具有高比表面积的多孔材料,MOFs在储能方面具有巨大的应用潜力。本课题通过溶剂热法合成了 Mn-MOF和Ti-MOF,以Mn-MOF和掺锂Ti-MOF为前驱体经过高温炭化后分别制备得到了 MnO/C和Li4Ti5012/C复合材料,然后分别考察其形貌和结构特征,并探索作为锂离子电池负极材料的电化学性能。制备的Mn-MOF在N2气氛中800°℃下煅烧2 h得到了 MnO/C复合材料,具有规整的三维菱形形貌,比表面积达313 m2 g-1,并且MnO颗粒在炭基体中的分布非常均匀。MnO/C中的多孔炭基体可以有效避免MnO颗粒的团聚,并缩短离子和电子的传输路径,表现出了优异的倍率性能和较高的循环可逆容量,在50、500mAg-1的电流密度下分别循环150和500次后比容量保持为884、648 mA h g-1。掺锂Ti-MOF在N2气氛中900 ℃条件下煅烧10 h,制备出了形貌规整的Li4Ti5O12/C负极材料(LTO/C-900),呈现三维圆柱体形貌,LTO颗粒和C分布均匀。电化学测试结果表明合成的LTO/C-900负极材料表现出高可逆容量、高倍率性能和优异的循环稳定性,在500 mAg-1的电流密度下循环700次后比容量为277mAhg-1,在1000和2000 mA g-1的电流密度下循环1000次后比容量分别可以达到181、150 mAh g-1。本论文开展的以Mn-MOF为前驱体制备MnO/C复合材料是典型的由MOFs材料制备过渡金属氧化物/炭复合材料的方法,这种方法相比于传统途径可以使金属氧化物的颗粒粒径更小,使其在炭基体中的分布更均匀。另外通过掺锂Ti-MOF来制备Li4Ti5012/C的方法是首次由MOFs来制备Li4Ti5012的报道,其中LTO颗粒与C分散均匀,作为负极材料时表现出优异的电化学性能,同时这种方法可以延伸到制备锂离子电池正极材料,如LiMn2O4、LUCoO2等。
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