Fe-MOF基材料的制备及其在锂硫电池中的应用研究.pdf

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1、硕士学位论文Fe-MOF基材料的制备及其在锂硫电池中的应用研究STUDYONTHEPREPARATIONOFFe-MOFBASEDCOMPOSITESANDIT’SAPPLICATIONFORLITHIUM-SULFURBATTERY武鹤显哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TQ152学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文Fe-MOF基材料的制备及其在锂硫电池中的应用研究硕士研究生：武鹤显导师：张乃庆教授申请学位：工学硕士学科：化学工程与技术所在单位：化工与化学学院答辩日期：2018年6月

2、授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TQ152SchoolCode:10213U.D.C:621.3Securityclassification:OpenDissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHEPREPARATIONOFFe-MOFBASEDCOMPOSITESANDIT’SAPPLICATIONFORLITHIUM-SULFURBATTERYCandidate：HexianWuSupervisor：Prof.NaiqingZhangAcad

3、emicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ChemicalEngineeringandTechnologyAffiliation：SchoolofChemistryandChemicalEngineeringDateofDefence：2018.06Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要锂硫电池因其具有较高的理论比容量(1675mA·h/g)且原料廉价、无污染等优

4、点而备受研究者青睐，然而锂硫电池正极材料存在穿梭效应、活性物质导电性差及在锂化过程中活性物质硫体积变化大等问题严重影响了锂硫电池的发展。近年来，已有研究者报道过渡金属氧(硫)化物可与多硫化物形成金属硫键对多硫化物在溶液中的扩散具有有效的限制作用，但目前金属氧化物硫化物应用于锂硫电池还存在循环性能差、初始比容量不高等问题。因此本论文中首次选用铁金属有机框架(Fe-MOF)材料作为前驱体制备过渡金属氧(硫)化物材料为正极主体材料并应用于锂硫电池中。过渡金属铁离子可与多硫化物中的硫形成较强的化学配位键，同时化合物中的O和S可以与多硫化物

5、中的Li形成化学键从而起到限制多硫化物穿梭的作用，此外，Fe-MOF衍生物中富含碳能提高正极材料的导电性，值得一提的是MOF衍生物特有的多孔、中空结构能有效提高硫的负载量及适应充放电过程中硫体积的变化，同时FeS2对锂硫电池充放电过程中多硫化物的转化具有催化作用。本论文通过以铁基对苯二甲酸为配体的金属有机框架(Fe-BDC)为前驱体制备了枣核状Fe3O4/C材料，通过热重分析Fe3O4/C材料中的含碳量为33.2%，将Fe3O4/C材料作为锂硫电池正极主体材料应用于锂硫电池。通过电化学表征，电池在0.05C条件下放电比容量达132

6、3.7mA·h/g，1C条件下放电比容量为819.2mA·h/g。这主要归因于以下四点：1)极性材料Fe3O4对多硫化物的扩散具有有效的限制作用；2)材料中较高的含碳量提高了正极材料的导电性从而提高了活性物质硫的利用率；3)Fe3O4/C材料的中空结构对电池充放电过程中正极活性物质硫体积剧烈的变化起到了缓冲的作用；4)Fe3O4/C材料的多孔结构能为多硫化物的吸附提供更多的活性位点，从而有效提升电池的循环性能。本论文中还研究了以铁基2-甲基咪唑为配体的金属有机框架(Fe-ZIF)为前驱体制备的中空球形Fe2O3/C材料和Fe2O3

7、/FeS2/C材料作为正极主体材料应用于锂硫电池，主要讨论了铁基金属氧化物和复合FeS2后对锂硫电池性能的影响。首先制备了Fe2O3/C材料，通过电化学性能测试得到电池在0.2C条件下比容量达805.7mA·h/g，1C条件下300次循环后容量仍能保持374.7mA·h/g；再在Fe2O3/C材料的基础上通过直接高温硫粉硫化的方法制备了Fe2O3/FeS2/C正极主体材料并-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文应用于锂硫电池，电池在0.2C条件下比容量达972.8mA·h/g，1C条件下比容量为481.5mA·h/g。这说明了极性材

8、料Fe2O3对锂的多硫化物具有有效的限制作用，此外材料中较高的含碳量提高了正极材料的导电性从而提高了活性物质硫的利用率，再复合FeS2后从循环伏安曲线中证明电池极化变小，这验证了FeS2对充放电过程具有催化作用，同时通过电化学性能的对比分析探究了F