【摘 要】
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锂离子电池具有较高的比容量,高的放电电压,无记忆效应,自放电率低,可快速充放电和高的安全性等优点。锂离子电池性能主要由负极材料决定,研究具有高比容量,长循环寿命的新型锂离子电池负极材料成为研究热点之一。金属有机框架(MOF)材料具有高比表面积,高孔隙率、易于修饰等特点;二维MOF纳米材料可暴露更多的活性位点,且可有效缩短其作为电极材料的离子扩散路径,因此二维MOF纳米材料成为热门的新型锂离子电池负
【基金项目】
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国家自然科学基金联合基金重点项目“树枝状碳纤维-氧化石墨烯三维框架构建调控高能量密度锂硫电池研究”(项目编号:U1810204); 国家清洁能源新材料与技术学科创新引智基地(编号:B18018); 先进能源与环境材料国际科技合作基地(编号:PA2018HKCP0030); 先进功能材料
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锂离子电池具有较高的比容量,高的放电电压,无记忆效应,自放电率低,可快速充放电和高的安全性等优点。锂离子电池性能主要由负极材料决定,研究具有高比容量,长循环寿命的新型锂离子电池负极材料成为研究热点之一。金属有机框架(MOF)材料具有高比表面积,高孔隙率、易于修饰等特点;二维MOF纳米材料可暴露更多的活性位点,且可有效缩短其作为电极材料的离子扩散路径,因此二维MOF纳米材料成为热门的新型锂离子电池负极材料。本文以MOF材料为研究对象,选择合适的金属离子和有机配体,采用液相超声辅助的方法制备出适用于锂离子电池负极的超薄二维MOF材料。系统研究了超薄二维MOF材料形貌、成分及微观结构对其储锂性能的影响规律,并深入探讨了MOF材料的储锂机理。主要研究内容和结果如下:(1)成功制备Co-BDC超薄纳米片,将其作为锂离子电池负极,表现出一定的活化现象和较高的可逆储锂容量,经过活化,在0.1 A g-1的电流密度下,充放电10次后稳定的比容量可达1071.6 m Ah g-1,在0.5 A g-1的电流密度下循环500圈后,容量保持率为60.5%,2 A g-1的电流密度下循环1000圈后,容量保持率为75.8%,展现出较高的比容量和良好的循环稳定性。(2)成功制备了双金属Zn/Co-BDC纳米片,研究了元素含量对纳米片形貌、微观结构的影响规律,并研究了其电化学储锂性能,研究发现10Zn90Co-BDC纳米片的电化学性能最为优异。经过活化处理,在0.1 A g-1的电流密度下,充放电10次后稳定的比容量达到997.1 m Ah g-1,在0.5 A g-1的电流密度下循环500圈后,容量保持率为89.5%,2 A g-1的电流密度下循环1000圈后,容量保持率为80.5%,相较于单金属Co-BDC超薄纳米片而言,虽然双金属Zn/Co-BDC纳米片比容量略显逊色,然而其表现出更加优异的循环稳定性。(3)进一步获得了双金属Ni/Co-BDC超薄纳米片,系统调控了其成分及微观结构;以其作为锂离子电池负极材料,Ni/Co-BDC超薄纳米片展现出显著的活化现象。经过优化,10Ni90Co-BDC超薄纳米片的电化学性能最为优异,表现出较高的可逆储锂容量,在0.1 A g-1的电流密度下,充放电10次后稳定的比容量高达1628.4 m Ah g-1,在0.5 A g-1的电流密度下循环500圈后,容量保持率为100%,2A g-1的电流密度下循环1000圈后,容量保持率为74.5%,展现出极高的比容量和优异的循环稳定性。同时以10Ni90Co-BDC超薄纳米片为负极材料对其储锂机理进行了初步探索,纳米片在充放电过程中片状转变成多孔状,物相由晶态转变成非晶态,纳米片中的金属端转变成金属氧化物纳米晶进行储锂,金属氧化物纳米晶一定程度上缓解了其充放电过程中的体积膨胀;有机配体端逐渐转变成对苯二甲酸锂,并在对苯二甲酸的苯环之上继续吸附锂离子,且包覆在金属氧化物纳米晶表面,可有效抑制金属氧化物纳米晶在充放电过程中的体积膨胀。从而使10Ni90Co-BDC超薄纳米片具有极高的比容量及优异的循环稳定性。
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