【摘 要】
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随着能源需求的日益增长和储能技术的发展,传统的电化学储能器件已无法满足电动汽车、储能电站等领域的市场需求。因此,开发高比能、长寿命的二次电池体系成为学术界和产业领域更为关注的研究热点。作为二次电池的代表,传统锂离子电池由于一系列的优点已经工业化生产。但由于其电极材料的导电率低、离子扩散系数小等缺点大大影响了电池的实际容量和循环性能,从而限制了大规模应用。本文针对这些不足,设计合成了几种新型金属有机
【基金项目】
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国家自然科学基金; 省教育厅基金; 陕西省大分子科学重点实验室
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随着能源需求的日益增长和储能技术的发展,传统的电化学储能器件已无法满足电动汽车、储能电站等领域的市场需求。因此,开发高比能、长寿命的二次电池体系成为学术界和产业领域更为关注的研究热点。作为二次电池的代表,传统锂离子电池由于一系列的优点已经工业化生产。但由于其电极材料的导电率低、离子扩散系数小等缺点大大影响了电池的实际容量和循环性能,从而限制了大规模应用。本文针对这些不足,设计合成了几种新型金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks）材料,直接作为锂离子电池正极材料,并研究了结构不同对电池性能的影响关系,为后续设计及合成新型离子电池材料提供了理论基础。同时表明金属有机骨架材料在二次电池中具有广阔的发展空间。本文具体内容为三个部分:（1）利用均苯三甲酸（H3BTC,简称1,3,5-苯三甲酸或BTC）为有机配体,锂为金属中心,利用溶剂热法,成功合成了二元MOF材料,在没有经过其他方法处理的条件下,直接作为锂离子电池正极材料。使用粉末X-射线衍射、热重、红外光谱等测试手段对材料进行表征。结果表明,首次放电比容量为253.7 m Ah g-1,放电容量在随后的循环中下降,第100次循环后,放电比容量为105.5 m Ah g-1。第500次循环后,放电比容量为101.7 m Ah g-1,库仑效率为99.03%,说明该材料具有良好的循环性能。（2）在单金属锂MOFs的基础上,同时受到传统锂离子电池材料Li Co O2的启发,以H3BTC为有机配体,选择Li+/Co2+双金属体系,通过改变原料比例,得到了具有两种不同结构的三元钴/锂配位聚合物SNNU-76和SNNU-73,并首次应用于锂离子电池中。两种不同结构中Co2+与Li+分别位于不同（SNNU-76）活性位点和同一（SNNU-73）活性位点。电化学性能测试表明,两种金属在同一活性位点构建的具有螺旋链结构的方通道型MOF材料（SNNU-73）具有更高的比容量,而两种金属在不同活性位点构建的笼型MOF结构具有更优的循环性能。（3）将二元In-BTC（CPM-5）材料在不同溶剂（有机溶剂和无机溶剂）的锂离子溶液中离子交换,对比溶剂不同对电化学性能的影响。有机溶剂处理后材料骨架保持稳定,电化学性能明显提高。在此条件下,研究三元In-Co-BTC、In-Ni-BTC在离子交换后的电化学性能。结果表明:在100 m A g-1的电流密度下,50次和500次循环后放电比容量分别为96.5/96 m Ah g-1和150/140 m Ah g-1,库伦效率均为99%以上。也证明了无机溶剂处理后没有将材料孔道中的结晶水彻底去除,且结晶水的存在会对循环性能产生一定的影响。有机溶剂的使用,可提高材料导电性、离子扩散速率和电化学性能。
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