氰基桥联金属骨架材料制备的纳米znofe2o3及其在锂离子电池中的应用研究(附件)【字数：12707】
摘 要摘 要锂离子电池（LIBs）由于其环保、无记忆效应、高能量密度和可循环充放电而被研究人员追捧。目前已被普遍应用，但商业负极材料的理论能量很低，仍不能满足市场需求。因此，研究开发大容量负极材料可有效促进锂离子电池的发展。氰基桥联骨架结构(CMFs)，比如普鲁士蓝(PB)和普鲁士蓝类似物(PBA)被证明是一种新型的前驱体模板用于制备复合纳米氧化物结构。两种具有不同电化学特性的活性组分可以作为相互支持和促进剂，从而提高复合电极的稳定性和电化学可逆性。本论文采用氰基桥联配合物Zn3[Fe(CN)6]2·xH2为前驱体，通过热解煅烧制备ZnO /Fe2O3纳米复合材料，利用XRD、TG、SEM等多种测试手段对材料进行了详细地表征，并将该材料应用于LIBs负极材料，进行电化学性能测试。在100 mA g-1的电流密度下，经过一百圈的循环之后，电量维持在了955 mA h g-1，且保持98%的效率，循环过程中充放电容量呈现出稳定的匀速上升趋势，在重复充放电中表现出良好的循环稳定性。关键词氰基桥联配合物；ZnO/Fe2O3；锂离子电池；负极材料；电化学性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 锂离子电池的研究现状 1
1.3 锂离子电池概述 2
1.3.1 锂离子电池发展简介 2
1.3.2 锂离子电池的结构 3
1.3.3 锂离子电池工作原理和评价指标 5
1.4 氰基桥联双金属配位化合物 7
1.5 选题目的及意义 8
第二章 实验部分 10
2.1 实验仪器 10
2.2 实验药品 10
2.3 试样制 12
2.4 样品的表征 12
2.5电池的制备与电化学性能测试 13
第三章 材料的表征和电化学分析 15
3.1 试样的表征 15
3.2 锂离子电池性能测试 18
3.3 小结 21
第四章 总结 22
致谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
研究背景
能源是人类生存的基 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
础，社会的发展在很大程度上依赖于不可再生能源，如石油和煤炭，现如今石油需求的增长导致化石燃料储备的快速减少，与此同时，来自化石燃料的废水给我们的生活环境带来的问题特别严重。此外，汽车废气排放，化石燃料焚烧，工业排放物排放，造成空气中漂浮了大量有害物质。据了解，北京、南京、武汉、济南、上海等大城市空气中的问题特别严重，长远来看，人们容易患呼吸道疾病，更糟糕的是会导致有些人过早死亡，人类健康正面临严重的危机。总之，新能源材料与技术的发展与人类社会的未来发展直接相关。化学能源因为其可以直接将化学能转化为电能的特性，是人类能源使用所必需的工具，其性能也需要进一步的提高。
1.2 研究现状
目前化学能源根据使用性质，可以分为三类：一次电池、二次电池和燃料电池[1,2]。一次电池，顾名思义，就是在电化学反应放电后，电池中的反应物质不能通过再利用来再充电，在放电完成后，作废变成垃圾回收，如碱性锰电池、锌电池、锌汞电池和氢电池等等。二次电池可以重复N次充放电使用，电池放电结束后，通过充电使材料发生化学反应，电能再转化为化学能，成功实现储能转换。通常已知的可充电电池包括铅酸电池、镍铁/镍氢电池和锂离子电池（LIBs）。燃料电池是通过电化学反应将燃料和氧化剂中存在的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池种类繁多，但工作方式基本相同，它由三部分组成：阳极、阴极和电解液。电能产生过程涉及化学反应，一般是消耗燃料，生成水或二氧化碳。通常，存在氢燃料电池，氢在阳极被氧化，氧在阴极进行还原反应，通过氧化还原反应产生电流。三类电池进行比较，二次电池具有很高的容量，且更容易重复使用，受到更多的关注。
目前，新能源主要是超级电容器和二次电源。在商用二次电源中，众所周知，主要包括铅酸电池、镍氢/镍镉电池和锂离子电池（LIBS）。铅酸蓄电池价格便宜，原料易得，性能可靠，经过多年研究，电池生产技术相对成熟，但由于铅酸蓄电池尺寸大，容量不高，风险因素相对较大等缺点导致应用范围正在缩小，而且还含有重金属元素铅，回收处理不当，可能会带来很大的环境污染。与铅酸电池相比，镍镉电池内阻小，可快速大电流充电，放电电压稳定，变化小，同时循环寿命更长，可重复充放电500次以上，但镍镉电池中的镉是有毒的，不利于生态保护，而且使用过程一旦处理不当，会有明显的记忆效应（由于电池多次部分充电与放电不完全所致，会使电池容量暂时减小，导致使用时间缩短），而且电池的制备会大量使用镍金属和稀土资源，因此镍镉电池基本上不被作为移动设备电池使用。镍氢电池由金属镍和氢离子制成，比镍镉电池轻，其存在是由于发现了新的功能材料吸氢合金，该材料可在一定温度和压力下吸收大量的氢气。镍氢电池由于能量高，单体容量大，电力储备比镍镉电池多30％以上，而且属于绿色能源，对环境无污染。镍氢电池技术已经成熟，已被广泛应用于混合动力汽车。 1970年研制成功的锂离子电池克服了传统电池的众多缺点，是新型绿色化学电源，锂离子电池具有明显的优势：工作电压高（单体电池一般工作在2.5 V 3.7V范围内，接近镍镉或镍氢电池的三倍）。自放电低(液态锂离子电池在首次循环时，负极材料与电解液在固液相界面上发生反应而形成的一层覆盖于电极材料表面的钝化膜，即固体电解质界面膜(solid electrolyte interface，简称为SEI膜，只允许Li+ 通过，不允许电子通过，从而抑制自放电)，无记忆效应（锂离子电池可以随时反复充放电并保持稳定的容量）、能量密度高（目前锂离子电池能达到的质量比能量和体积比能量分别为240 W h Kg1和600 W h L1，锂离子电池在相同的能量下电池体积和质量约为金属氢化物镍电池的三分之一）、使用寿命长且对环境友好。锂离子电池占据了绝大部分消费电子产品的电池市场[1,2]。然而，随着信息时代的到来，电子产品日新月异，移动电子设备如手机、数码相机、笔记本电脑等追求更轻薄更耐用，这自然要求电源的性能好。电动汽车等新能源汽车产业的迅猛发展进而导致大型动力设备对动力电池的需求愈来愈大，所以目前主要的研究方向是开发新型的高能量密度、高倍率性能的电池材料。
1.3 锂离子电池概述
1.3.1 锂离子电池发展简介
1958 年：哈里斯首先提出使用有机电解质作为锂一次电池电解质。
1970 年：锂离子电池研发成功实现民用。
1962年：埃尔贝和乌拉姆第一次用硫作为电池的阴极材料（后来考虑到对环境的污染较大，将蓄电池作为主要方向）。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 锂离子电池的研究现状 1
1.3 锂离子电池概述 2
1.3.1 锂离子电池发展简介 2
1.3.2 锂离子电池的结构 3
1.3.3 锂离子电池工作原理和评价指标 5
1.4 氰基桥联双金属配位化合物 7
1.5 选题目的及意义 8
第二章 实验部分 10
2.1 实验仪器 10
2.2 实验药品 10
2.3 试样制 12
2.4 样品的表征 12
2.5电池的制备与电化学性能测试 13
第三章 材料的表征和电化学分析 15
3.1 试样的表征 15
3.2 锂离子电池性能测试 18
3.3 小结 21
第四章 总结 22
致谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
研究背景
能源是人类生存的基 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
础，社会的发展在很大程度上依赖于不可再生能源，如石油和煤炭，现如今石油需求的增长导致化石燃料储备的快速减少，与此同时，来自化石燃料的废水给我们的生活环境带来的问题特别严重。此外，汽车废气排放，化石燃料焚烧，工业排放物排放，造成空气中漂浮了大量有害物质。据了解，北京、南京、武汉、济南、上海等大城市空气中的问题特别严重，长远来看，人们容易患呼吸道疾病，更糟糕的是会导致有些人过早死亡，人类健康正面临严重的危机。总之，新能源材料与技术的发展与人类社会的未来发展直接相关。化学能源因为其可以直接将化学能转化为电能的特性，是人类能源使用所必需的工具，其性能也需要进一步的提高。
1.2 研究现状
目前化学能源根据使用性质，可以分为三类：一次电池、二次电池和燃料电池[1,2]。一次电池，顾名思义，就是在电化学反应放电后，电池中的反应物质不能通过再利用来再充电，在放电完成后，作废变成垃圾回收，如碱性锰电池、锌电池、锌汞电池和氢电池等等。二次电池可以重复N次充放电使用，电池放电结束后，通过充电使材料发生化学反应，电能再转化为化学能，成功实现储能转换。通常已知的可充电电池包括铅酸电池、镍铁/镍氢电池和锂离子电池（LIBs）。燃料电池是通过电化学反应将燃料和氧化剂中存在的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池种类繁多，但工作方式基本相同，它由三部分组成：阳极、阴极和电解液。电能产生过程涉及化学反应，一般是消耗燃料，生成水或二氧化碳。通常，存在氢燃料电池，氢在阳极被氧化，氧在阴极进行还原反应，通过氧化还原反应产生电流。三类电池进行比较，二次电池具有很高的容量，且更容易重复使用，受到更多的关注。
目前，新能源主要是超级电容器和二次电源。在商用二次电源中，众所周知，主要包括铅酸电池、镍氢/镍镉电池和锂离子电池（LIBS）。铅酸蓄电池价格便宜，原料易得，性能可靠，经过多年研究，电池生产技术相对成熟，但由于铅酸蓄电池尺寸大，容量不高，风险因素相对较大等缺点导致应用范围正在缩小，而且还含有重金属元素铅，回收处理不当，可能会带来很大的环境污染。与铅酸电池相比，镍镉电池内阻小，可快速大电流充电，放电电压稳定，变化小，同时循环寿命更长，可重复充放电500次以上，但镍镉电池中的镉是有毒的，不利于生态保护，而且使用过程一旦处理不当，会有明显的记忆效应（由于电池多次部分充电与放电不完全所致，会使电池容量暂时减小，导致使用时间缩短），而且电池的制备会大量使用镍金属和稀土资源，因此镍镉电池基本上不被作为移动设备电池使用。镍氢电池由金属镍和氢离子制成，比镍镉电池轻，其存在是由于发现了新的功能材料吸氢合金，该材料可在一定温度和压力下吸收大量的氢气。镍氢电池由于能量高，单体容量大，电力储备比镍镉电池多30％以上，而且属于绿色能源，对环境无污染。镍氢电池技术已经成熟，已被广泛应用于混合动力汽车。 1970年研制成功的锂离子电池克服了传统电池的众多缺点，是新型绿色化学电源，锂离子电池具有明显的优势：工作电压高（单体电池一般工作在2.5 V 3.7V范围内，接近镍镉或镍氢电池的三倍）。自放电低(液态锂离子电池在首次循环时，负极材料与电解液在固液相界面上发生反应而形成的一层覆盖于电极材料表面的钝化膜，即固体电解质界面膜(solid electrolyte interface，简称为SEI膜，只允许Li+ 通过，不允许电子通过，从而抑制自放电)，无记忆效应（锂离子电池可以随时反复充放电并保持稳定的容量）、能量密度高（目前锂离子电池能达到的质量比能量和体积比能量分别为240 W h Kg1和600 W h L1，锂离子电池在相同的能量下电池体积和质量约为金属氢化物镍电池的三分之一）、使用寿命长且对环境友好。锂离子电池占据了绝大部分消费电子产品的电池市场[1,2]。然而，随着信息时代的到来，电子产品日新月异，移动电子设备如手机、数码相机、笔记本电脑等追求更轻薄更耐用，这自然要求电源的性能好。电动汽车等新能源汽车产业的迅猛发展进而导致大型动力设备对动力电池的需求愈来愈大，所以目前主要的研究方向是开发新型的高能量密度、高倍率性能的电池材料。
1.3 锂离子电池概述
1.3.1 锂离子电池发展简介
1958 年：哈里斯首先提出使用有机电解质作为锂一次电池电解质。
1970 年：锂离子电池研发成功实现民用。
1962年：埃尔贝和乌拉姆第一次用硫作为电池的阴极材料（后来考虑到对环境的污染较大，将蓄电池作为主要方向）。
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