基于MOF的双金属氧化物的制备及其在锂离子电池中的应用

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锂离子电池因具有较大能量密度、较长的使用寿命以及环境友好等特点,在轻便型电子设备和动力汽车等领域具有巨大的应用潜力,为适应现代化产业进程的需要,研发具有更高性能新型负极材料的锂离子电池成为研究热点。过渡金属氧化物由于具有原料廉价易得和高于石墨电极材料2-3倍的比容量等特点,被认为是最有潜力的新型负极材料。但通过研究发现,该类材料属于半导体材料,自身的导电率较低,且在锂离子电池的应用中表现出较为严重的体积变化,因此,本论文主要通过3个方面来解决这些问题:一是以MOFs作为前驱体合成双金属氧化物,借助MOFs的多孔性增加电极材料的孔隙率,提高其比容量;二是调控反应条件,合成规整形貌的MOFs及双金属氧化物,缓解体积变化;三是选择两种合适的金属源,通过两者的协调作用提高材料的导电率。本论文主要研究内容如下:(1)采用水热法合成以对苯二甲酸为配体的Ni-Co-MOF,通过在空气氛围下400℃焙烧,得到空心球状的复合纳米双金属氧化物NiO/NiCo2O4,该复合材料是由粒径为50-60 nm左右的纳米颗粒聚集形成的直径为300-400 nm的球状超结构,经电池组装测试其电化学性能,结果发现,当给电池施加100 mA g-1的电流密度时,其首次放电比容量约为1778 mAh g-1,充电比容量约为1354 mAh g-1,其首次库伦效率约为76.2%;进行100次循环后,容量维持在920 mAh g-1左右,表明该电极材料有稳定的循环性能;依次在电流密度为100、200、400、800 mA g-1下各循环8圈对该材料进行倍率性能测试,电池的平均充放电比容量数值稳定在1109、978、830、623 mAh g-1;而当电池的电流密度从800 mA g-1回到初始电流密度100 mA g-1时,其对应的比容量又可以回升到1075 mAh g-1左右,说明该负极材料有优异的倍率性能。(2)采用微波法快速合成以1,4-环己二酸为有机配体的前驱体Ni-Co-MOF,经过高温煅烧得到棒状的NiO/NiCo2O4材料。其电化学性能测试结果显示,恒流充放电过程中在电流密度为100 mA g-1下的首次放电比容量就达到1800 mAh g-1,首次库伦效率约为73.8%,进行120次充放电循环后,放电比容量依然能保持在1198 mAh g-1左右,表现出良好的循环性能和较高的比容量;在倍率性能测试中,当电流密度依次为100、200、400、800 mA g-1时,其相应的平均比容量约为1304、1108、974、778 mAh g-1;此外,当电流密度再次为100 mA g-1时,其比容量可以达到1263 mAh g-1,证明了该棒状复合双金属氧化物材料NiO/NiCo2O4有良好的倍率性能。
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