金属有机骨架衍生CoS/C纳米复合材料的设计构筑及其电化学性能研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

锂离子电池因能量密度高、记忆效应小、自放电率低等优势已被广泛应用于便携式电子设备。然而,为了满足目前大规模能源的存储和运输的需求,锂离子电池的使用寿命仍需进一步提高。电极材料是锂离子电池的重要组成部分,对电池性能起着决定性作用。目前商业化的负极材料主要是石墨,但其理论容量(372 mah/g)和体积比容量并不高,限制了其在电动汽车等动力设备上的应用。金属硫化物具有很高的比容量,因此,开发具有高倍率、长寿命的金属硫化物电极材料,具有重要的科学意义和应用价值。

体积变化明显、导电性较差、容量衰减快等是金属硫化物材料在电化学储能器件中发展需要解决的关键性问题。近年来,硫化钴因其高的比容量、成本低、原料来源广泛且绿色无毒,被人们认为是一种极具应用前景的锂离子电池负极材料,得到了研究者们的广泛关注。然而,硫化钴作为一种转化型负极材料,同样存在离子嵌入脱出过程中体积膨胀大引起的材料粉化,结构坍塌和电极材料从集流体上脱落等问题。目前对硫化钴材料进行结构设计、纳米化处理是解决其体积效应问题的主要手段。

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, mofs)是一种以中心金属离子或金属簇为节点、有机配体为连接单元,在配位键的作用下通过自组装而形成的具有周期性网络结构的多孔材料。mofs 有着可控的微孔和介孔纳米结构,与传统多孔材料相比,比表面积大、孔隙率高,可允许锂离子存储和可逆嵌入/脱出。如果保证框架的可逆变换/再生,则还可以适当选择金属中心和有机配体来制造转化型电极。并且,mofs是合成金属硫化物和碳材料的理想模板,其独特的纳米结构很难通过其他方法获得。这些特性为开发新型负极材料提供了许多选择。因此基于金属硫化物以及mofs在锂离子电池方面的优势和巨大潜力,采用mofs为模板,合成cos/c复合材料,能够有效改善硫化钴作为电极材料时的一些缺陷。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

① 拟合成co-mof并结合后期水热、高温煅烧硫化设计构筑cos/c复合材料,探究该材料的化学组成、形貌、结构等,并探究该材料的结晶生长过程;

② 基于所制备的cos/c复合材料,组装锂离子电池,利用循环伏安法、恒流/恒压充放电等电化学测试方法系统研究该种材料的充放电比容量、倍率性能、循环稳定性等材料储锂性能;

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究方法、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告;

第4-6周:按照设计方案,以mofs为前驱体制备cos@c纳米复合材料;

第7-8周:采用xrd、sem、tem等测试技术对材料的物相、显微结构进行测试;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] goodenough j b.evolution of strategies for modern rechargeable batteries[j]. accounts ofchemical research, 2012, 46(5): 1053-1061.

[2] liu c, li f, ma l, etal. advanced materials for energy storage [j]. advanced materials, 2010, 22(8):e28-e62.

[3] 罗飞, 褚赓, 黄杰,等. 锂离子电池基础科学问题(Ⅷ)——负极材料[j]. 储能科学与技术, 2014,3(2):146-163.

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