基于MOFs的高性能锂电负极材料的设计、制备及性能优化

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锂离子电池的出现彻底改变了人们的生活,同时人们对高能量密度器件的迫切需求也极大促进了锂电池相关技术的发展。当前商用电极材料均已接近其理论极限,而应用市场则要求进一步提升锂离子电池的能量密度和循环寿命。为此,研发储锂性能更佳、循环寿命更长的电极材料替代碳质负极,无疑是解决上述迫切需求的有效策略和研究方向。在众多材料中,金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)具有大的比表面积和结构可调节性,近年来在电化学储能领域引起了研究人员的广泛关注。MOFs材料作为锂离子电池负极材料的研究已有大量文献报道,其比容量甚至远高于碳质材料,展现出极大的发展潜力。然而,利用MOFs进行电化学储锂仍面临着机理不清、容量有待提升、稳定性不理想等问题,制约了其商业化应用。本论文以开发稳定高效的MOFs电极材料为研究目标,通过理清其结构与性能之间的关系,优化MOFs基电极材料的设计思路与合成路线,从而切实促进MOFs电极材料的实用化进程。具体研究内容如下:(1)采用液相自蚀法制备了Cu-TCNQ/Cu自支撑电极,研究了其作为锂电负极材料的电化学性能。物性表征和机理研究表明,Cu-TCNQ阵列垂直生长于集流体上,Cu-TCNQ中的Cu+和TCNQ-在放电过程中均可通过转化反应还原为低价态,进而贡献储锂容量。此外,证实了苯环共轭结构的C6也具有嵌锂能力。该工作揭示了MOFs材料的多中心储锂机制,明确了结构中的过渡金属离子、有机官能团和共轭结构均可作为储锂活性位点。(2)利用液相反应合成了rGO/Cu-BHT复合材料,研究了其作为锂离子电池负极的储锂性能。结果表明,r GO/Cu-BHT中的Cu-BHT可以提供丰富的氧化还原活性中心和较高的电导率,而作为基底的r GO则改善了Cu-BHT的分散性,从而提升了锂离子传导系数。r GO和Cu-BHT两组元之间的协同增效使得该复合材料具有丰富的氧化还原活性中心、高的电导率和离子渗透效率,显示出较好的储锂性能。优化的r GO/Cu-BHT复合材料在100 m A g-1电流密度下循环200圈的质量比容量高达1249.5m A g-1。(3)构筑了三种结构类似的苯二甲酸铜材料(Cu-o BDC、Cu-m BDC、Cu-p BDC),考察了其锂储存性能。这些材料均由Cu2+和苯二甲酸配位而成,配体中的羧基分别以邻位、间位、对位方式排列,具有同样的活性位点密度,晶面间距分别13.02、6.79和5.21?。研究表明,晶面间距对这类材料的储锂性能有显著影响。Cu-o BDC材料的晶面间距最大,其SEI膜在后续循环中可以修复,因此电化学性能逐渐趋于稳定。该材料在100 m A g-1电流密度下循环250圈的质量比容量稳定在674.9/683.6 m Ah g-1,优于Cu-m BDC和Cu-p BDC。(4)研究了电解液浓度和成膜添加剂(2%FEC、5%FEC、1%VC以及3 M Li PF6)对Cu-p BDC负极材料储锂性能的影响。通过物性表征研究了Cu-p BDC负极在四种电解液中循环后的微观形态、结构和SEI膜的形成及变化情况。结果表明,在1 mol L-1Li PF6的EC/EMC/DMC溶液中添加1%VC不能促进稳定固态电解质膜(SEI膜)的形成;FEC在促进了SEI膜的形成,改善了电极的循环稳定性,但FEC浓度对循环性能影响较小;3 mol L-1Li PF6的高浓度电解液可以促进电极表面形成厚度为3-9纳米、Li F含量更高的SEI膜。因此,Cu-p BDC电极在3 mol L-1Li PF6电解液中的循环稳定性最好,在100 m A g-1电流密度下循环100圈仍可保持378/387.2 mAh g-1的充放电比容量。
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