导电MoO2在高功率电容器和高容量锂硫电池中的应用研究

摘要

随着科技的发展,锂离子电池开始难以满足电动汽车等高能量需求装置的要求,因此开发新型更高性能的电化学存储体系是社会发展的必然趋势。超级电容器和锂硫电池由于具有高功率和高比容量受到越来越多人的关注。MoO2具有类金属导电性、高熔点、高的化学稳定性和高的理论比容量成为一种具有潜在价值的电化学储能材料。
　　本文以过渡金属氧化物MoO2为研究对象,采用模板法制备了介孔MoO2纳米材料,采用现代测试方法对产物进行了表征,探究了MoO2在超级电容器和锂硫电池中的电化学性能。具体内容包括以下几个方面:
　　以二氧化硅 KIT-6为模板,(NH4)6Mo7O24?4H2O为原料制备了介孔 MoO2,通过XRD、BET、SEM等进一步表征发现,介孔MoO2是KIT-6的反向复制品,具有长程有序的介孔结构、高达68.7 m2/g的比表面积。通过对比,合成的最佳条件为前驱体仲钼酸铵与KIT-6以1:1.47(wt％)混合后在650℃下煅烧5 h,用2 M NaOH除去模板。制备的介孔MoO2在以1 M LiOH为电解液,Ni网为对电极,甘汞电极为参比电极的三电极体系中,当扫速为5 mv/s时,比电容为145.75 F/g,10 mv/s时为135.97 F/g,50 mv/s时为125.78 F/g,在100 mv/s的比容量值保持率为78.8％。在两电极体系中初始放电比电容为146 F/g(1 A/g),循环1000次后比电容为127 F/g,容量保持率为87％。通过溶解实验发现其衰减主要原因是介孔MoO2溶解于电解液中,使活性物质减少。通过EQCM测试发现Li+是介孔MoO2电容储能的工作离子。
　　采用加热介孔MoO2和单质硫制备了介孔MoO2/S复合材料,在锂硫电池中表现出良好的电化学性能。通过对比不同硫含量的样品发现,当硫的负载量为40％时,表现出良好的循环性能,样品m-MoO2/S-40的初始容量为1236.8 mAh/g,100个循环后仍有683.8 mAh/g,在5 C的高倍率下仍有543.5 mAh/g的容量,比单质硫和Super P的复合材料表现出更好的循环性能。但是,介孔 MoO2对多硫化物的吸附能力有限,性能并不能与碳材料相比。MoO2具有类金属的导电性,可以将MoO2做成微孔结构,通过下一章介孔和微孔碳材料的对比发现,微孔材料可能有更好的储能性能。
　　通过加热微孔碳材料ZIF-C和单质硫的混合物制备了ZIF-C/S复合材料,复合材料的硫含量为34％,复合材料的初始放电比容量为1505 mAh/g,在100、300、500次循环的容量为850 mAh/g、724 mAh/g和618 mAh/g,在1 C、2 C、3 C的放电容量为793 mAh/g、705 mAh/g、624 mAh/g,比介孔碳材料CMK-3/S复合材料表现出更加优异的循环性能和倍率性能。

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第一章 绪 论

1.1 引 言

1.2 超级电容器概述

1.3 锂硫电池概述

1.4 MoO2电化学储能的研究进展

1.5 课题的意义和研究内容

第二章 实验药品和材料表征方法

2.1 实验试剂和仪器

2.2 材料表征

2.3 电化学测试

第三章 介孔MoO2的合成及电容性能的研究

3.1 引 言

3.2 实验过程

3.3 模板KIT-6的表征

3.4 不同温度对MoO2结构和性能的影响

3.5 不同配比对MoO2结构和性能的影响

3.6 不同电解液浓度对MoO2性能的影响

3.7 介孔MoO2//MoO2和MoO2//AC长期性能测试

3.8 MoO2在水系电解液中工作机理探究

3.9 总 结

第四章 介孔MoO2在锂硫电池正极材料中的研究

4.1 引 言

4.2 介孔MoO2/S复合材料的制备

4.3 热重分析

4.4 比表面分析

4.5 X射线衍射分析

4.6 扫描电镜和Mapping分析

4.7 电化学性能分析

4.8 总 结

第五章 MOF-C/S复合材料在锂硫电池中的研究

5.1 引 言

5.2 实验过程

5.3 X射线衍射分析

5.4 比表面分析

5.5 扫描电镜和Mapping分析

5.6 热重分析

5.7 电化学性能分析

5.8 总 结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢