MOF结构铁酸钴复合纤维的制备及电化学性能研究.pdf

摘要

摘要

可充电电池因其高转换效率和环保特性而成为最受欢迎的电能存储系统之一。锂离

子电池（LIBs）以其卓越的优势，正在应用于新能源汽车等储能领域。同时，钠离子电

池（SIBs）由于其原料来源广泛且价格低、电化学性能接近锂离子电池等优势，近年来

受到广泛关注，给电能存储带来了一种全新选择。传统商业化石墨碳负极材料由于理论

容量低制约了其发展。因此寻求高比容量、自然丰度高、长循环寿命的负极材料是提升

LIBs和SIBs能量密度的关键。CoFeO具有商用石墨近2.5倍的理论容量，但是循环过

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程中体积膨胀和结构粉化严重阻碍其应用。普鲁士蓝类似物（PBA）作为一种具有结构

可控和多孔特性的金属有机框架（MOF）可以在一定程度缓解以上问题，但其长循环和

大倍率的电化学性能仍然需要提高。针对以上问题，本课题利用普鲁士蓝类似物为前驱

体，制备了三种具有不同结构的MOF-CoFeO@C、MOF-CoFeO@C@alkalizedMXene

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和MOF-CoFeO@MXene@CNFs复合纳米纤维，分别作为LIBs和SIBs的负极材料进

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行电化学性能研究。具体研究内容如下：

（1）通过静电纺丝、原位生长结合高温煅烧技术，调控不同原位生长时间（12h、

24h和36h），制备得到以PAN纳米纤维膜为生长基底，PBA衍生的多孔结构MOF-

CoFeO@C复合纳米纤维。通过SEM、XRD等物化表征，可知原位生长24h的CFO@C-

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24具有最多MOF-CoFeO颗粒以及最完整六面体金属有机框架结构。作为LIBs半电

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池负极材料，在1Ag-1电流密度下，循环400周后可逆容量仍有623mAhg-1。与商用

正极LiCoO2组装的锂离子全电池器件，表现出优异的循环性能，循环200周后可逆容

量仍能保持434mAhg-1。表明PBA衍生的MOF结构能够有效减缓充放电时CoFeO

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体积膨胀现象，并且纤维连续网络结构为锂离子的传输提供了快速通道和缓解了MOF-

CoFeO的团聚。

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（2）为了进一步提升CFO@C负极材料的大电流密度下电化学性能，采用碱处理

和冷冻干燥，使得TiCTMXene形成多褶皱结构，与CFO@C-24复合制备得到柱-层

32x

结构的MOF-CoFeO@C@alkalizedMXene（CCM）复合纳米纤维。调控TiCTMXene

2432x

与CFO@C-24质量比（1:3、2:3和3:3），分别得到CCM1、CCM2、CCM3。通过TEM、

BET等物化表征，证明CCM具有柱-层结构和介孔结构。其中CCM2作为LIBs/SIBs半

电池负极材料具有最出色的性能，LIBs半电池在2Ag-1的高电流密度下，循环400周

-1-1-1

后可逆容量为807mAhg。SIBs半电池在5Ag电流密度下，表现出149mAhg的优

良倍率性能。应用测试表明，LiCoO//CCM2全电池和NaV(PO)//CCM2全电池在10

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Ag-1的电流密度下的倍率测试中