碳复合磷化钴材料的制备及其储锂(钠)性能研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chad
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锂(钠)离子电池由于具有能量密度高、无记忆效应、环境污染低等优点,被认为是下一代化学电源的重要候选对象,电极材料直接关系到锂(钠)离子电池的性能,寻找具有比容量高、循环寿命长、同时成本低廉的锂(钠)离子电池电极材料已经成为当前研究的热点。过渡金属磷化物由于来源广和良好的热稳定性而受到广泛关注,尤其是CoP,因其具有较高的理论容量(894 mAh g-1)和相对低的充放电电压(分别为0.9 V和0.6 V)被认为是二次电池的理想材料。但是由于CoP在充放电过程中体积变化大,导致比容量下降和循环寿命的快速衰退。针对以上问题,本论文通过控制磷化钴的形貌和在碳材料中的分布达到缓解锂(钠)脱嵌过程中的体积效应,从而提高其电化学性能,主要的工作如下:通过浸渍重结晶-原位转化-低温磷化三步实现生物质碳复合磷化钴(CoP/C)材料的构筑。以猴头菇作为碳源,通过将其浸泡在一定浓度的硝酸钴溶液中,利用生物质本身的疏松吸水的特征使硝酸钴在孔径内部重结晶,高温碳化过程中,硝酸钴同时作为致孔剂和金属钴源,得到金属钴颗粒内嵌的多孔碳材料,然后再利用金属钴和草酸的原位转换,使得颗粒状的金属钴转变为纳米棒状的草酸钴,最终通过低温磷化制备出多孔碳骨架支撑的磷化钴纳米棒结构的复合材料,通过改变硝酸钴溶液的浓度,制备出不同CoP负载量的复合材料。电化学性能结果表明,当硝酸钴溶液浓度为0.15 mol L-1时,制备出的复合材料(CoP/C-0.15)的储锂性能最优,在1000 mA g-1电流密度下循环1000圈之后比容量可以维持在292 mAh g-1,在5000 mA g-1电流密度下比容量仍可达到152 mAh g-1。该材料也显示出一定的储钠性能,在100 mA g-1电流密度下循环100圈,比容量保持在99 mAh g-1。以沸石咪唑酯有机框架(ZIF-67)作为模板和前驱体,通过金属Co在高温煅烧过程中的催化作用,一步得到了碳纳米管包覆的Co颗粒,然后利用低温磷化制备出碳纳米管包覆磷化钴的电极材料(CoP@CNTs)。该材料呈现多面体形状,其直径大约在700 nm左右。作为锂离子电池负极材料,CoP@CNTs的首次放电比容量为1401 mAh g-1,充电比容量为851 mAh g-1,首次库伦效率为60.7%。在100 mA g-1电流密度下,循环100圈后,比容量仍保持为507 mAh g-1,在1000 mA g-1电流密度下,循环1200圈后,比容量为494.9 mAh g-1,具有良好的储锂性能。作为钠离子电池负极材料,在100 mA g-1电流密度下循环100圈后,其比容量为251 mAh g-1,在1000 mA g-1电流密度下循环1000圈后,其比容量为155 mAh g-1,呈现出良好的储钠性能。
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