pb3dgn及其衍生物的制备与电化学性能研究(附件)【字数：11215】
金属有机骨架材料具有超高的比表面积、结构多样性和多孔性等优点，使其在电化学储能材料方面具有很大的发展潜力，但是MOFs的导电性一般不是很好。将MOFs与导电性三维石墨烯（3DGN）复合并热解煅烧制备纳米多孔金属氧化物与3DGN的复合材料是当前电化学储能材料研究领域的前沿。本文以经典MOF普鲁士蓝（PB）为前驱体，与3DGN复合制备PB-3DGN，并以此为牺牲模板通过热解煅烧制备FeOX-3DGN复合材料，研究其电化学储能性能。首先制备普鲁士蓝（PB）颗粒，与3DGN复合制备PB-3DGN，对其进行350℃煅烧转化为FeOX-3DGN。对制备出的PB颗粒、FeOX、PB-3DGN以及FeOX-3DGN进行XRD、SEM等表征分析，并组装电池进行了循环伏安(CV)、充放电循环性能、倍率性能和阻抗谱等电化学性能测试。控制合成的FeOX-3DGN显示出较好的锂电性能，循环充放电50圈后，比容量还能保持在566.2mAh/g。与二维石墨烯相比，具有多孔连通网络结构的三维石墨烯基复合材料FeOX-3DGN具有优异的导电性和自支撑性，并且石墨烯和多孔FeOX之间的紧密接触以及丰富的应力缓冲可有效提高金属氧化物应用于锂离子电池负极材料时的循环稳定性。关键字普鲁士蓝；三维石墨烯；金属氧化物；电化学性能
目录
第一章 绪论 1
1.1锂离子电池概述 1
1.1.1 锂离子的工作原理 2
1.1.2锂离子电池负极材料 3
1.2 三维石墨烯 4
1.2.1三维石墨烯的基本概念与制备方法 4
1.2.2三维石墨烯基复合材料的制备及电化学性能研究 5
1.3普鲁士蓝 6
1.3.1 普鲁士蓝简介 6
1.3.2 普鲁士蓝在锂电池中的应用 6
1.4 本论文研究内容 7
第二章 实验部分 8
2.1实验仪器和药品 8
2.1.1 实验仪器 8
2.1.2试验药品 8
2.2样品及电极的制备过程 8
2.3扣式电池的组装 10
2.4 材料的表征 12
2.4.1 X射线衍射分析（XRD） 12
2.4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
扫描电子显微镜（SEM） 12
2.4.3 X射线光电子能谱（XPS） 12
2.4.4电化学性能测试 12
第三章 实验结果与讨论 14
3.1样品的SEM分析 14
3.2样品的EDS光谱分析 15
3.3 样品的X射线衍射(XRD)分析 16
3.4电化学性能分析 17
3.5 PB的循环性能和倍率性能 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
锂离子电池（LIB）由于缺乏记忆力，环境友好和使用寿命长，已成为便携式电子产品的主要动力源，正在积极应用于不久的将来推进电动汽车。基于已知无机化合物的电极材料，大量的研究致力于为新一代电池提供高能量密度和高功率的新型电极材料的设计和制造。金属有机骨架材料（Metal Organic Frameworks, MOFs）的发现普遍引起了人们对MOFs在电化学储能材料等方面应用的研究兴趣。MOFs是由无机金属离子和有机配体自组装而形成，是一种三维多孔材料。自MOFs被发现以来，科学家们对MOFs材料的研究热度依然不减，在储氢方面的研究已有一些进展，MOFs材料的优异性能在其他方面应该也存在广泛的应用前景。近期，部分研究者开始将目光转移到MOFs在电化学储能材料的研究上，一些MOFs材料正逐渐被应用到电化学储能领域，如锂离子电池及超级电容器等。
1.1锂离子电池概述
20世纪60至70年代的石油危机使人们对新型大容量化学电源的发展寄予厚望。金属Li位于周期表第一族的第二周期中，是原子量最小的金属元素，具有最小的电化学当量和最负的金属标准电位[1]。使用锂作为电池负极可以使电池具有较高的电压和大的功率。但是由于锂电极表面不均匀，锂金属在充电时间内会使锂的表面电位分布不均匀，导致锂在电极表面沉积不均匀。锂在电极的某些部位太快沉积会产生枝晶，当枝晶发育到一定程度时会发生“死锂”，即破碎的枝晶引起锂不可逆。另一方面，由于电池的短路而导致的枝晶也可能通过膜而导致电池放热或甚至起火。为了解决锂电池的所有缺陷[1,2]。通过人们的努力，终于发现不再使用锂金属而用碳代替作为电池负极，也就是锂离子电池。
锂离子电池由日本索尼公司在日本1990年首先研制出一种高能二次电池，在1993年实现商业化和进入市场，根据电解质的种类，锂离子电池可分为液体锂离子电池和聚合物锂离子电池[4,5]。其中，聚合物锂离子电池具有更好的安全性，并且不受电池形状和尺寸的限制，因为使用非流动电解质，因此更适合作为微电子产品的电源。该领域已部分更换液体锂离子电池。电池根据形状的不同主要可分为方形和圆形两种。锂离子电池工作电压一般约为3.6V，是镉镍电池的三倍，质量轻，体积小，能量大（140Wh / kg），安全环保无记忆效应，有望成为主流的未来储能装置[1,6]。
1.1.1 锂离子的工作原理
锂离子电池的结构如图1.1和图1.2 所示，一般由正极、负极和高分子隔膜构成。
锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如LixCoO2，LiXNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物LiXC6，其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(LixCoO2）和有机电解液三部分组成。
锂离子电池的电化学表达式：
正极反应： （11）
负极反应： （12）
电池反应： （13）
式中：M=Co、Ni、Fe、W等。
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图1.1 锂离子电池结构示意图 图1.2 圆柱形锂离子电池结构图
锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池 ”。
锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，它基本解决了困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。
目录
第一章 绪论 1
1.1锂离子电池概述 1
1.1.1 锂离子的工作原理 2
1.1.2锂离子电池负极材料 3
1.2 三维石墨烯 4
1.2.1三维石墨烯的基本概念与制备方法 4
1.2.2三维石墨烯基复合材料的制备及电化学性能研究 5
1.3普鲁士蓝 6
1.3.1 普鲁士蓝简介 6
1.3.2 普鲁士蓝在锂电池中的应用 6
1.4 本论文研究内容 7
第二章 实验部分 8
2.1实验仪器和药品 8
2.1.1 实验仪器 8
2.1.2试验药品 8
2.2样品及电极的制备过程 8
2.3扣式电池的组装 10
2.4 材料的表征 12
2.4.1 X射线衍射分析（XRD） 12
2.4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
扫描电子显微镜（SEM） 12
2.4.3 X射线光电子能谱（XPS） 12
2.4.4电化学性能测试 12
第三章 实验结果与讨论 14
3.1样品的SEM分析 14
3.2样品的EDS光谱分析 15
3.3 样品的X射线衍射(XRD)分析 16
3.4电化学性能分析 17
3.5 PB的循环性能和倍率性能 19
结论 21
致谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
锂离子电池（LIB）由于缺乏记忆力，环境友好和使用寿命长，已成为便携式电子产品的主要动力源，正在积极应用于不久的将来推进电动汽车。基于已知无机化合物的电极材料，大量的研究致力于为新一代电池提供高能量密度和高功率的新型电极材料的设计和制造。金属有机骨架材料（Metal Organic Frameworks, MOFs）的发现普遍引起了人们对MOFs在电化学储能材料等方面应用的研究兴趣。MOFs是由无机金属离子和有机配体自组装而形成，是一种三维多孔材料。自MOFs被发现以来，科学家们对MOFs材料的研究热度依然不减，在储氢方面的研究已有一些进展，MOFs材料的优异性能在其他方面应该也存在广泛的应用前景。近期，部分研究者开始将目光转移到MOFs在电化学储能材料的研究上，一些MOFs材料正逐渐被应用到电化学储能领域，如锂离子电池及超级电容器等。
1.1锂离子电池概述
20世纪60至70年代的石油危机使人们对新型大容量化学电源的发展寄予厚望。金属Li位于周期表第一族的第二周期中，是原子量最小的金属元素，具有最小的电化学当量和最负的金属标准电位[1]。使用锂作为电池负极可以使电池具有较高的电压和大的功率。但是由于锂电极表面不均匀，锂金属在充电时间内会使锂的表面电位分布不均匀，导致锂在电极表面沉积不均匀。锂在电极的某些部位太快沉积会产生枝晶，当枝晶发育到一定程度时会发生“死锂”，即破碎的枝晶引起锂不可逆。另一方面，由于电池的短路而导致的枝晶也可能通过膜而导致电池放热或甚至起火。为了解决锂电池的所有缺陷[1,2]。通过人们的努力，终于发现不再使用锂金属而用碳代替作为电池负极，也就是锂离子电池。
锂离子电池由日本索尼公司在日本1990年首先研制出一种高能二次电池，在1993年实现商业化和进入市场，根据电解质的种类，锂离子电池可分为液体锂离子电池和聚合物锂离子电池[4,5]。其中，聚合物锂离子电池具有更好的安全性，并且不受电池形状和尺寸的限制，因为使用非流动电解质，因此更适合作为微电子产品的电源。该领域已部分更换液体锂离子电池。电池根据形状的不同主要可分为方形和圆形两种。锂离子电池工作电压一般约为3.6V，是镉镍电池的三倍，质量轻，体积小，能量大（140Wh / kg），安全环保无记忆效应，有望成为主流的未来储能装置[1,6]。
1.1.1 锂离子的工作原理
锂离子电池的结构如图1.1和图1.2 所示，一般由正极、负极和高分子隔膜构成。
锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如LixCoO2，LiXNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物LiXC6，其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(LixCoO2）和有机电解液三部分组成。
锂离子电池的电化学表达式：
正极反应： （11）
负极反应： （12）
电池反应： （13）
式中：M=Co、Ni、Fe、W等。
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图1.1 锂离子电池结构示意图 图1.2 圆柱形锂离子电池结构图
锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池 ”。
锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，它基本解决了困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。
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