多孔納米復(fù)合材料的制備及其在新能源儲能設(shè)備中的應(yīng)用.pdf

1、21世紀以來，便攜式電子設(shè)備的發(fā)展和新能源電動汽車的普及，促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展（新能源電池）。新能源汽車的核心部件之一就是新能源電池。從新能源電池的發(fā)展方向上看，新能源電池可以分為鋰離子電池、燃料電池、超級電容器。鋰離子電池和超級電容器是目前應(yīng)用較廣泛的新能源儲能設(shè)備。其中鋰離子電池已經(jīng)逐漸地成為一種新型清潔能源應(yīng)用于汽車和便捷電子設(shè)備。石墨是目前使用最為廣泛的鋰離子電池負極材料。而超級電容器也是一種電化學(xué)容器，是介于傳統(tǒng)電容器和充電

2、電池之間的一種新型儲能裝置，其儲蓄的容量遠高于傳統(tǒng)電容器，并且充電速度快。目前，通過制備具有可再生能力的納米復(fù)合材料作為電極材料應(yīng)用于新能源電池設(shè)備來解決日益增長的能量危機以及各種環(huán)境問題已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。本論文的相關(guān)工作主要制備了幾類具有多孔納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料并應(yīng)用于新能源儲能設(shè)備，具體的研究內(nèi)容主要包括以下四個工作：
　　1.通過以混合金屬有機框架Zn/Fe-MOF為模板，再將其在氮氣條件下進行煅燒得到ZnO/ZnFe2O

3、4@C納米復(fù)合材料的制備方法步驟少，操作簡便。使用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡表征該納米復(fù)合材料，我們發(fā)現(xiàn)該ZnO/ZnFe2O4@C納米復(fù)合材料具有獨特的空心的3D核殼結(jié)構(gòu)，并且在超小的ZnO和ZnFe2O4納米晶表面均勻地包覆了由有機配體原位碳化得到的碳層。在電流密度分別為100 mA/g和200 mA/g時，由ZnO/ZnFe2O4@C制備的鋰離子電池在循環(huán)了100圈之后仍能釋放出1283 mA h/g和1100 mA h/g的

4、放電容量，遠高于ZnO和ZnFe2O4的理論容量，并大大優(yōu)于石墨的理論容量。
　　2.以鋅-鈷沸石咪唑框架材料（Zn/Co-ZIF）為模板，用硝酸鎳刻蝕Zn/Co-ZIF模板得到鎳鈷鋅層狀雙氫氧化物（NiCoZn-LDH）。通過在空氣中煅燒獲得的NiCoZn-LDH得到多組分的金屬氧化物納米復(fù)合材料3NiO·2Ni3/2Co1/2ZnO4。該納米復(fù)合材料具有空心的十二面體結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)均一完整。在進行充放電過程中該納米空心結(jié)構(gòu)有助

5、于鋰離子和電子的擴散。當(dāng)復(fù)合材料3NiO·2Ni3/2Co1/2ZnO4作為鋰離子電池的負極材料，在電流密度為200 mA/g時，在充放電的過程中能釋放出1337 mAh/g的放電容量。該多組分的混合金屬氧化物納米復(fù)合材料不僅應(yīng)用于鋰離子電池時性能優(yōu)異，而且為復(fù)合材料的制備提供了一個多元化的方式。
　　3.三聚氰胺泡沫價格低廉，而且含有大量的碳元素和氮元素。此外，三聚氰胺泡沫具有獨特的三維的大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及超輕的質(zhì)量，經(jīng)過碳化后可

6、以制成氮摻雜的三維泡沫碳用以負載金屬氧化物得到作為鋰離子電池的負極材料。本工作中，我們用硝酸鈷作為前驅(qū)體溶液，通過水熱反應(yīng)和碳化處理后得到Co3O4/carbon foam(Co3O4/CF)納米復(fù)合材料。通過掃描電子顯微鏡表征發(fā)現(xiàn)四氧化三鈷呈納米針狀顆粒，并且能夠均勻地附著在碳化后的三聚氰胺泡沫碳上面。當(dāng)其作為鋰離子電池的負極材料時，在電流密度為200 mA/g條件下，循環(huán)了100圈之后仍然能夠釋放出1287 mAh/g的容量。此方法

7、不僅靈活簡單，而且成本低。
　　4.將一種新穎的金屬有機框架材料包裹的碳納米管（CNT@MOFs）納米復(fù)合材料固載在柔性碳布電極（CC）上，再通過循環(huán)伏安法在其表面電聚合聚苯胺（PANI）得到柔性導(dǎo)電多孔性PANI-CNT@ZIF-67-CC電極用于構(gòu)建高性能的超級電容器。電化學(xué)測試結(jié)果表明新制備的柔性電極PANI-CNT@ZIF-67-CC在掃速10 mV/s下面積比電容高達3511 mF cm-2，遠遠超過了大多數(shù)電極材料，而