【摘要】：隨著電子設備的廣泛使用和人們對清潔能源的迫切需求,儲能電池的需求量越來越大,同時對電池性能要求也越來越苛刻。科研工作者一方面尋找具有更高比容量的電極材料來提高能量密度,另一方面開發(fā)新電池體系降低過度依賴鋰資源造成的成本過高問題。鋰離子電池被廣泛應用于現(xiàn)代便攜式設備當中,然而由于較高的成本和有限的鋰資源儲存,因此并不適用于在大規(guī)模儲能中的使用。金屬鉀資源儲量豐富,并與鋰同處于第一主族具有相似的物理化學特性,有望在儲能電池中得到應用。然而由于鉀離子的離子半徑較大,要求電極材料有較大的孔徑結構提供擴散通道以及緩解脫嵌過程帶來的體積膨脹效應。近年來,科學家們開發(fā)出一類具有大比表面積和多孔結構的金屬-有機框架材料(MOFs),其結構由有機配體和金屬離子組成,兼具有機配體的柔性與金屬離子的剛性特點,是一類極具開發(fā)潛力的電極材料。本文通過合成一類Fe基MOF-235材料,并針對其較弱的導電性作改性,研究其鉀離子儲存特性。具體工作如下:(1)以廉價且環(huán)保的對苯二甲酸和六水合三氯化鐵為原料,通過溶劑熱法成功制備出Fe基金屬-有機框架材料MOF-235,發(fā)現(xiàn)MOF-235材料是一類微孔型材料,BET比表面積710m2/g,孔徑0.83nm,孔容0.3cm3/g。并擁有良好的離子儲存特性,將其用于儲Li+、Na+、K+研究,其中在50mA g-1電流密度下儲鋰和儲鉀可逆容量分別為220和80mAh g-1,且擁有較高的庫倫效率,表明了MOF-235是一類能可逆儲鉀的電極材料。(2)通過原位制備一維多壁碳納米管(MWCNTs)與MOF-235的復合材料,用于儲鉀研究。由于多壁碳納米管優(yōu)異的導電性,顯著提高了復合材料的可逆比容量,其優(yōu)異的循環(huán)性能得益于碳納米管與MOFs晶體良好的結合形式,并對活性物質(zhì)具有固定作用。其中20%MWCNTs復合材料電化學性能最優(yōu),50mA g-1電流密度下50周循環(huán)后容量達到14mAh g-1,200mA g-1大電流密度下循環(huán)200周仍能保持132mAh g-1,容量保持率為52.8%,并擁有優(yōu)異庫倫效率和倍率性能。對儲能機理研究發(fā)現(xiàn),MOF-235在充放電過程中金屬Fe離子不參與氧化還原反應,可逆儲鉀容量主要來源于有機配體中C=O雙鍵的可逆開合進行儲能。(3)通過將二維導電石墨烯材料與MOF-235材料復合,進一步構筑擁有二維導電網(wǎng)絡的復合電極材料。電導率測試表明石墨烯在相同添加量時,電導率提高優(yōu)于同條件下的多壁碳納米管與MOF-235復合材料,這是由于MOFs晶體嵌于石墨烯表面或?qū)娱g增大了接觸面積。20%石墨烯復合材料達到最佳儲鉀性能,50mA g-1電流密度下可逆儲鉀容量為169mAh g-1,在200mA g-1大電流下200周容量保持145mAh g-1,容量保持率為72%,優(yōu)于20%MWCNTs復合材料的容量性能。通過對MOF-23 5+20G復合材料進行變速CV測試發(fā)現(xiàn),電極材料的反應過程主要受控于鉀離子擴散過程,即表現(xiàn)為電池行為。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

圖 1-1 鋰離子電池充放電原理圖Fig. 1-1 Lithium-ion battery charge and discharge schematic的發(fā)展也推動了電子產(chǎn)業(yè)的繁榮，如照相機、移動電話信息化社會的不斷進步，鋰離子電池將會在通信、航空發(fā)應用[5]。然而，鋰離子電池雖然廣泛使用，但仍然有

圖 1-3 “搖椅式”鉀離子電池機理圖[13]Fig.1-3 Schematic illustration of a “rocking-chair”potassium-ion[13]鈉離子相比(見表 1-1)，雖然鉀離子具有更大的離子半徑.102nm Na+)和更大的原子質(zhì)量[14]，但是鉀離子的標準電勢

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本文編號：2721496