高级搜索

原位生长钴基MOF的碳纳米纤维材料的制备及其锂电性能研究

,  , 

downloadPDF

上一篇

下一篇

伍文博, 杨尊先, 郭太良. 原位生长钴基MOF的碳纳米纤维材料的制备及其锂电性能研究[J]. 真空科学与技术学报, 2023, 43(7): 563-568. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202301005
引用本文: 伍文博, 杨尊先, 郭太良. 原位生长钴基MOF的碳纳米纤维材料的制备及其锂电性能研究[J]. 真空科学与技术学报, 2023, 43(7): 563-568. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202301005
shu
Wenbo WU, Zunxian YANG, Tailiang GUO. Preparation and Lithium Storage Properties of Carbon Nanofiber Materials with in Situ Grown Cobalt-Based MOF[J]. zkkxyjsxb, 2023, 43(7): 563-568. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202301005
Citation: Wenbo WU, Zunxian YANG, Tailiang GUO. Preparation and Lithium Storage Properties of Carbon Nanofiber Materials with in Situ Grown Cobalt-Based MOF[J]. zkkxyjsxb, 2023, 43(7): 563-568. doi: 10.13922/j.cnki.cjvst.202301005
shu

原位生长钴基MOF的碳纳米纤维材料的制备及其锂电性能研究

  • 1.

    福州大学物理与信息工程学院 福州 350116

  • 2.

    福州大学 平板显示技术国家地方联合工程实验室 福州 350108

    • 通讯作者: E-mail: yangzunxian@hotmail.com; 

  • 中图分类号: TM912.9

Preparation and Lithium Storage Properties of Carbon Nanofiber Materials with in Situ Grown Cobalt-Based MOF

  • 1.

    School of Physical and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China

  • 2.

    National & Local United Engineering Laboratory of Flat Panel Display Technology, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China

    • Corresponding author: Zunxian YANG, yangzunxian@hotmail.com ; 

  • MSC: TM912.9

  • 摘要: 金属有机框架(MOFs)材料因其具有高度可控的结构以及可调的孔隙率而在电池材料领域应用广泛。但由于MOFs类材料较低的电导率以及堆叠结构带来的活性位点利用率低等问题使其难以直接用作电极材料。因此，发展MOFs材料电极仍然存在挑战。本文将表面含有Co2+离子的多孔炭纤维在高温高压条件下与含对苯二甲酸根的蒸汽进行反应。通过气-固反应的方法在碳纤维表面原位生长Co-MOF，制备负载纳米级Co-MOF颗粒的碳纳米纤维复合材料，并对该复合材料的结构形貌以及锂电池性能进行分析。多孔碳纤维的引入以及较小尺寸的MOF生成使得复合材料的导电性和稳定性得到了极大的提高。当被用作锂离子电池的负极时，Co-MOF/Pcnf在0.1 A/g的电流密度下循环100次后具有1081 mAh/g的可逆容量；在1 A/g的大电流密度下循环1000次后仍具有623.4 mAh/g的可逆容量。本研究为发展MOFs材料电极提供新的发展思路。
    Abstract: Metal-organic frameworks (MOFs) materials are widely used in the field of battery materials because of their highly controllable structure and tunable porosity. However, the low conductivity of MOFs and the low utilization of active sites due to the stacked structure make them difficult to be used as electrode materials directly. In this paper, carbon nanofiber composites loaded with nanoscale Co-MOF particles were prepared by in situ growth of Co-MOF on the fiber surface through the gas-solid reaction method, and the structural morphology and lithium battery properties of the composites were analyzed. The introduction of porous carbon fibers and the generation of smaller-size MOFs have greatly improved the electrical conductivity and stability of the composites. When used as the negative electrode of Li-ion batteries, the Co-MOF/Pcnf has a reversible capacity of 1081 mAh/g after 100 cycles at a current density of 0.1 A/g, and still has a reversible capacity of 623.4 mAh/g after 1000 cycles at a high current density of 1 A/g.
  • 加载中

  • 图 1  Co-MOF/Pcnf材料制备流程图

    Figure 1.  Preparation flow chart of the Co-MOF/Pcnf

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 2  Co2(OH)2BDC以及Co-MOF/Pcnf制备过程中不同阶段的产物的形貌测试图：(a)水热法制备Co-MOF；(b) PAN/PS复合纤维；(c)多孔碳纤维；(d)Co-MOF/Pcnf的SEM测试图像；(e)-(f) Co-MOF/Pcnf的TEM测试图像

    Figure 2.  Morphological test plots of Co2(OH)2BDC and products at different stages of Co-MOF/Pcnf preparation: (a) Co-MOF prepared by hydrothermal method, (b) PAN/PS composite fiber, (c) porous carbon fiber, (d) SEM images of the Co-MOF/Pcnf, (e)-(f) TEM images of the Co-MOF/Pcnf

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 3  Co-MOF/Pcnf的元素分布图：(a) Co-MOF/Pcnf的SEM图；(b) Co、C和O元素分布图

    Figure 3.  Elemental distribution of the Co-MOF/Pcnf : (a) SEM image of Co-MOF/Pcnf, (b) distribution of Co, C and O elements

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 4  Co-MOF/Pcnf材料表征图：(a) Co-MOF/Pcnf以及Co-MOF的XRD图谱；(b) Co-MOF/Pcnf以及PTA的FTIR图谱；(c) Co-MOF/Pcnf的氮气吸脱附曲线图

    Figure 4.  Co-MOF/Pcnf material characterization diagram: (a) XRD patterns of the Co-MOF/Pcnf and the Co-MOF, (b) FTIR patterns of the Co-MOF/Pcnf and PTA, (c) Nitrogen adsorption and desorption curves of Co-MOF/Pcnf

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5  Co-MOF/Pcnf的XPS图谱：(a)全谱；(b) Co 2p图谱；(c) O 1s图谱

    Figure 5.  XPS spectrums of the Co-MOF/Pcnf: (a) full spectrum, (b) Co 2p spectrum, (c) O 1s spectrum

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 6  Co-MOF/Pcnf 的电学性能：(a) Co-MOF/Pcnf的CV曲线；(b) Co-MOF/Pcnf和Co-MOF在0.1 A/g下的充放电循环曲线；(c) Co-MOF/Pcnf以及Co-MOF的充放电倍率特性曲线；(d) Co-MOF/Pcnf在1 A/g下的充放电循环曲线；(e) Co-MOF/Pcnf以及Co-MOF的电化学交流阻抗图谱

    Figure 6.  Electrical properties of Co-MOF/Pcnf: (a) CV curves of Co-MOF/Pcnf, (b) cycle curves of Co-MOF/Pcnf and Co-MOF at 0.1 A/g, (c) rate performance of Co-MOF/Pcnf and Co-MOF, (d) long cycle curves of Co-MOF/Pcnf at 1 A/g, (e) the EIS spectra of Co-MOF/Pcnf and Co-MOF

    下载: 全尺寸图片 幻灯片
  • [1] Zheng W,Bi W,Gao X,et al. A nickel and cobalt bimetal organic framework with high capacity as an anode material for lithium-ion batteries[J]. Sustainable Energy & Fuels,2020,4(11):5757−5764
    [2] Hao J,Yang F,Zhang S,et al. Designing a hybrid electrode toward high energy density with a staged Li+ and PF6- deintercalation/intercalation mechanism[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2020,117(6):2815−2823 doi: 10.1073/pnas.1918442117
    [3] Huang Y, Ding S, Xu S, et al. Binder-free SnS2 sheet array with high sulfur vacancy concentration for enhanced lithium storage performance. Electrochimica Acta, 2022, 409
    [4] Huang S,Cai Y,Jin J,et al. Hierarchical mesoporous urchin-like Mn3O4/carbon microspheres with highly enhanced lithium battery performance by in-situ carbonization of new lamellar manganese alkoxide (Mn-DEG)[J]. Nano Energy,2015,12:833−844 doi: 10.1016/j.nanoen.2015.01.040
    [5] Li C,Lou X,Shen M,et al. High Anodic Performance of Co 1, 3, 5-benzenetricarboxylate coordination polymers for li-ion battery[J]. Acs Applied Materials & Interfaces,2016,8(24):15352−15360
    [6] Yao L, Gu Q, Yu X, Three-dimensional MOFs@MXene aerogel composite derived MXene threaded hollow carbon confined CoS nanoparticles toward advanced alkali-ion batteries. Acs Nano, 2021, 15(2): 3228-3240
    [7] Skoda D,Kazda T,Munster L,et al. Microwave-assisted synthesis of platelet-like cobalt metal-organic framework, its transformation to porous layered cobalt-carbon nanocomposite discs and their utilization as anode materials in sodium-ion batteries[J]. Journal of Energy Storage,2020,27:101113 doi: 10.1016/j.est.2019.101113
    [8] Maiti S,Pramanik A,Manju U,et al. Reversible lithium storage in manganese 1, 3, 5-benzenetricarboxylate metal-organic framework with high capacity and rate performance[J]. Acs Applied Materials & Interfaces,2015,7(30):16357−16363
    [9] Zhang Y,Cheng T,Wang Y,et al. A simple approach to boost capacitance: flexible supercapacitors based on manganese oxides@MOFs via chemically induced in situ self-transformation[J]. Advanced Materials,2016,28(26):5242 doi: 10.1002/adma.201600319
    [10] Tang X,Wang H,Fan J,et al. CNT boosted two-dimensional flaky metal-organic nanosheets for superior lithium and potassium storage[J]. Chemical Engineering Journal,2022,430:133023 doi: 10.1016/j.cej.2021.133023
    [11] Chen L,Yang W,Wang J,et al. Hierarchical cobalt-based metal-organic framework for high-performance lithium-ion batteries[J]. Chemistry-a European Journal,2018,24(50):13362−13367 doi: 10.1002/chem.201802629
    [12] Yin X,Chen X,Sun W,et al. Revealing the effect of cobalt-doping on Ni/Mn-based coordination polymers towards boosted li-storage performances[J]. Energy Storage Materials,2020,25:846−857 doi: 10.1016/j.ensm.2019.09.005
    [13] He S, Li Z, Wang J, Bimetallic MOFs with tunable morphology: Synthesis and enhanced lithium storage properties. Journal of Solid State Chemistry, 2022, 307: 122726
    [14] Hong J, Park S, Kim S, Synthesis and electrochemical characterization of nanostructured Ni-Co-MOF/graphene oxide composites as capacitor electrodes. Electrochimica Acta, 2019, 311: 62-71
    [15] Gao C,Jiang Z,Wang P,et al. Optimized assembling of MOF/SnO2/Graphene leads to superior anode for lithium ion batteries[J]. Nano Energy,2020,74:104868 doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104868
    [16] Jin Y,Zhao C,Sun Z,et al. Facile synthesis of Fe-MOF/RGO and its application as a high performance anode in lithium-ion batteries[J]. Rsc Advances,2016,6(36):30763−30768 doi: 10.1039/C6RA01645F
    [17] Banerjee P,Lobo D,Middag R et al. Electrochemical capacitance of Ni-doped metal organic framework and reduced graphene oxide composites: more than the sum of its parts[J]. Acs Applied Materials & Interfaces,2015,7(6):3655−3664
    [18] Yin X,Yin Y,Wang N,et al. Co-induced performance optimization of Fe-based coordination polymers for lithium storage[J]. Microporous and Mesoporous Materials,2022,333:111719 doi: 10.1016/j.micromeso.2022.111719
  • 加载中
图( 6)
计量
  • 文章访问数:  156
  • HTML全文浏览数:  156
  • PDF下载数:  2
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-10
  • 刊出日期:  2023-07-30

原位生长钴基MOF的碳纳米纤维材料的制备及其锂电性能研究

    通讯作者: E-mail: yangzunxian@hotmail.com; 
  • 1. 福州大学物理与信息工程学院 福州 350116
  • 2. 福州大学 平板显示技术国家地方联合工程实验室 福州 350108
  • 收稿日期:  2023-01-10

摘要: 金属有机框架(MOFs)材料因其具有高度可控的结构以及可调的孔隙率而在电池材料领域应用广泛。但由于MOFs类材料较低的电导率以及堆叠结构带来的活性位点利用率低等问题使其难以直接用作电极材料。因此，发展MOFs材料电极仍然存在挑战。本文将表面含有Co2+离子的多孔炭纤维在高温高压条件下与含对苯二甲酸根的蒸汽进行反应。通过气-固反应的方法在碳纤维表面原位生长Co-MOF，制备负载纳米级Co-MOF颗粒的碳纳米纤维复合材料，并对该复合材料的结构形貌以及锂电池性能进行分析。多孔碳纤维的引入以及较小尺寸的MOF生成使得复合材料的导电性和稳定性得到了极大的提高。当被用作锂离子电池的负极时，Co-MOF/Pcnf在0.1 A/g的电流密度下循环100次后具有1081 mAh/g的可逆容量；在1 A/g的大电流密度下循环1000次后仍具有623.4 mAh/g的可逆容量。本研究为发展MOFs材料电极提供新的发展思路。

English Abstract

    全文HTML

  • 随着全球能源结构不断调整以及经济的高速发展，当今世界对可持续绿色能源的需求日渐增长。因此，二次储能设备的重要性越来越突出。锂离子电池(LIBs)因其能量密度高、循环性能好、重量轻等特点，已被广泛用于人类生活中的清洁能源储存[1-3]。然而，由于商用锂离子负极材料石墨的理论容量有限(372 mAh/g)[4]，难以满足未来逐渐增长的大容量储能的电池需求。因此，开发具有更高容量、长循环寿命和优良倍率性能的锂电池电极材料已成为一个重要的研究方向。

    金属有机骨架(MOFs)由金属离子和有机配体组成，是一种具有网络结构的结晶性多孔材料[5]。因为其有着独特的可调控结构、多孔特性以及较大的比表面积而被人们所知[6]。近年来，MOFs已逐渐被应用于电池[7]和电容器等储能装置。Maiti, S等制备Mn- MOF作为 LIBs的电极材料的锂存储性能，该材料在 0.1 A/g电流密度下循环 100 次后的可逆容量为694 mAh/g[8]。然而，大多数MOFs在用作电极材料时存在着低导电性以及堆积形态导致的锂离子移动路径增大的问题，这极大限制了MOF材料作为电池电极的发展[9, 10]。为了改善MOFs材料这些缺点，人们做了许多研究。其中一种研究方向是制备具有不同结构和形态的MOFs材料，来调控MOFs基电极材料的电化学性能，例如：表面活性剂[11]、离子掺杂[12, 13]等。另一种研究方式是通过将MOFs与导电碳材料相结合制备复合MOFs材料。这使得MOFs的电化学性能也得到了改善[14-17]。在这些导电碳材料中，石墨烯由于其高导电能力和表面可官能化而成为主要的选择。但是，石墨烯较高的制备成本以及复杂的表面功能化流程使得其在电极材料中的应用存在着一定的限制。因此，探索其他导电碳材料与MOFs结合的可能性仍然值得研究。

    本文通过静电纺丝以及高温碳化制备多孔碳纤维(Pcnf)，然后利用真空渗透的方法将硝酸钴负载至碳纤维表面。随后通过气-固反应的方法，在纤维表面原位生长小尺寸Co-MOF颗粒以制备Co-MOF/Pcnf复合材料。相较于溶剂热法制备的Co-MOF的大尺寸颗粒结构，Co-MOF/Pcnf中的Co-MOF有着更小的结构形态并提供更多的氧化还原位点。多孔碳纳米纤维的引入，提高了复合材料的整体导电性并为电解质的渗透和离子/电子传输提供有利的途径，进一步提高电化学性能。

    • 1.   实验部分

      1.1.   多孔碳纤维制备

    • 将0.8 g PAN(聚丙烯腈)以及0.4 g PS(聚苯乙烯)加入到10 mL DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，搅拌24 h后得到静电纺丝溶液。将溶液通过静电纺丝的方式转化为PAN/PS纤维。具体参数为1.0 mL/h的进料速度、针尖与接收器的距离为15 cm、外加电压16 kV。将纤维在60℃的真空条件下干燥。随后，将纤维在空气中以2℃/min的加热速率加热至260℃，并保持2 h以完成预氧化。最后将完成预氧化的纤维以3℃/min的加热速率在氩气氛围中加热至900℃，并保持2 h以完成纤维的碳化。待到自然冷却至室温后得到多孔碳纳米纤维(Pcnf)。

      • 1.2.   Co-MOF/Pcnf制备

    • 将0.582 g Co(NO3)2·6H2O加入至15 mL乙醇溶剂中，并搅拌2 h。将0.01 g Pcnf浸泡在混合溶液中8 h。将静置后的混合溶液于40℃真空环境中1.5 h进行干燥，得到了负载钴元素的Pcnf。将0.27 g PTA(对苯二甲酸)溶解在20 mL的DMF、5 mL的乙醇和3 mL的去离子水的混合溶液中，搅拌1h后得到配体溶液。随后，将负载钴元素的Pcnf和溶液转移到一个50 mL的特氟隆内衬高压釜中，用一个玻璃装置将Pcnf置于溶液上方(不与溶液接触)。将高压釜加热至150℃，并保持20 h。待到冷却至室温，将产物用乙醇和DMF清洗，并将其在60℃真空条件下干燥24 h后得到Co-MOF/Pcnf。

      • 1.3.   Co-MOF制备

    • 将0. 291 g Co(NO3)2·6H2O和0.166 g PTA溶解在20 mL DMF、5 mL的乙醇和5 mL的去离子水中，搅拌1 h得到混合溶液。将混合溶液转移高压釜中，并在150℃条件下保持20 h。最后，将产物用乙醇和DMF清洗数次，并在60℃真空条件下干燥12 h后，得到Co-MOF。

      • 1.4.   电池组装以及电化学性能测试

    • 将炭黑、聚偏二氟乙烯(PVDF)和活性材料按照质量比3:3:14的比例进行称量。然后加入适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)进行充分研磨混合。将研磨后的浆料均匀涂覆在铜箔上，并在120℃真空条件下干燥12 h，得到所需的负极电极片。以纯锂片为电池正极，含有1M LiPF6的DMC/EC/DEC (1:1:1 v/v/v)溶液为电解液，组装成锂电池。将组装好的电池在湖北武汉电子股份有限公司出产的蓝电测试系统LAND-CT2011A上进行恒电流充放电循环以及倍率充放电测试。循环伏安测试以及交流阻抗测试在上海辰华仪器有限公司所生产的CHI650D型电化学工作站上进行测试。

    2.   结果与讨论

    • Co-MOF/Pcnf复合材料的制备过程和相关结构示意图由图1展示。首先，多孔碳纳米纤维是通过使用静电纺丝和煅烧工艺，以PS为牺牲前体得到的。其次，用渗透挥发的方式将钴元素负载到碳纤维内部以及表面。最后，将PTA溶于DMF和乙醇混合溶液中，并将其和纤维一同置于反应釜中。其中纤维和溶液由玻璃装置隔离开，没有直接接触。在制备过程中，含有对苯二甲酸根的蒸气和纤维表面的钴元素在高温高压下发生反应，并在碳纤维表面生成MOF颗粒，得到了Co-MOF/Pcnf复合材料。

      图2为传统水热法制备的Co-MOF（Co2(OH)2BDC）以及Co-MOF/Pcnf制备过程中不同阶段的产物的形貌测试图。图2(a)中展示的是用传统水热法制备的片状Co-MOF。微米级别的片状MOF相互堆叠，阻碍了电解液的渗透。图2(b)是静电纺丝制备的PAN/PS复合纤维的SEM测试图。静电纺丝产生的PAN/PS复合纤维尺寸均一且表面光滑。图2(c)展示的是经过高温退火后所形成的多孔炭纤维纤维。由于PS受热分解，碳化后的纤维表面以及内部出现连续的通道结构。这些结构为后续MOF的生长提供空间。图2(d)为Co-MOF/Pcnf的SEM测试图像。可以看出，经过反应后，碳纤维的表面出现大量纳米级的Co-MOF颗粒。相较于同等时间的水热法制备的Co-MOF，Co-MOF/Pcnf中的MOF颗粒的尺寸更小，且分散。这有利于提升活性物质与电解液的接触面积。此外，图2(e)和图2(f)是Co-MOF/Pcnf不同放大倍数的TEM测试图像。通过观察可以发现，由于多孔纤维结构的存在，一些MOF颗粒会在纤维内部生长。这种生长方式可以降低MOF颗粒从碳纤维上脱落的风险，保证材料整体稳定性。

      Co-MOF/Pcnf复合材料的元素映射结果如图3所示。图3(b)中Co元素和O元素的分布与复合材料(图3(a))中MOF颗粒的形状以及分布情况相匹配。此外，C元素的分布也与Co-MOF/Pcnf中的碳纤维和MOF的位置相对应。Co-MOF/Pcnf的元素分布图进一步证明了Co-MOF/Pcnf中Co、O和C元素的存在以及纤维上Co-MOF的形成。

      图4(a)为Co-MOF/Pcnf以及Co-MOF的XRD图谱。Co-MOF/Pcnf在2θ角为~8.92°、~15.86°、~17.61°和~32.46°处出现的特征峰，这些峰位和强度与之前报告的Co2(OH)2BDC (CCDC No.153067)的数据基本匹配[10, 11]。此外，在Co-MOF/Pcnf的XRD测试图上Co-MOF的结构特征比较突出，说明Co-MOF在纤维上的形成。图4(b)为Co-MOF/Pcnf和PTA的FTIR测试结果。在Co-MOF/Pcnf的图谱中位于~1580 cm−1出现的特征峰可以认为是羧酸根基团的不对称伸缩振动引起的，而在~1375 cm−1出现的谱峰可归因于羧酸根基团的对称伸缩振动造成的[18]。此外，通过比较对PTA的FTIR光谱图可以发现在~1681 cm−1的特征带(非电离羧基)没有出现在Co-MOF/Pcnf的FTIR光谱图中。这些现象可以说明在制备过程中PTA在与Co2+离子反应后完全去质子化，进一步说明Co2+已成功与对苯二甲酸根配体配位，形成Co-MOF。图4(c)为Co-MOF/Pcnf的氮气吸附-脱附等温线曲线图。由图可知，Co-MOF/Pcnf以及Co-MOF孔径分布都以介孔结构为主。由于小尺寸的MOF产生以及多孔碳纤维的引入，Co-MOF/Pcnf具有较高的比表面积(35.12 m2/g)。该结果说明Co-MOF/Pcnf材料与电解液之间具有更大的接触面积，有利于活性物质和锂离子的交换过程。

      图5(a)到图5(c)为Co-MOF/Pcnf的XPS图谱。图5(a)表明Co-MOF/Pcnf的主要元素为Co、C和O。图5(b)是Co 2p图谱。其中可以观察分别到位于~797.21 eV和~781.28 eV的Co 2p1/2和Co 2p3/2特征峰，以及他们相对应的卫星峰(~802.68 eV和~786.47 eV)。这表明了Co-MOF/Pcnf中Co元素主要是以Co2+离子的形式存在。图5(c)是Co-MOF/Pcnf的O 1s图谱，其中出现在~531.45 eV和~533.57 eV的特征峰可以表明Co-MOF/Pcnf中的Co-O和C-O配位键的形成。进一步说明了Co2+离子已成功与对苯二甲酸配体配位，形成Co-MOF。

      Co-MOF/Pcnf的电化学测试分析如图6所示。将Co-MOF/Pcnf制备成电池后，使其在0.01 V到3.0 V的范围内，以0.1 mV/s扫描速度进行循环伏安特性曲线测试。CV测试结果如图6(a)所示。在初次循环中于~0.483 V处出现的还原峰在随后的循环过程中不再出现。这个现象说明电极在首次循环中有SEI膜的产生。此外，~0.95 V处的还原峰可对应锂离子与苯环中C=C的插层反应。出现在~1.25 V和~2.02 V处的氧化峰都属于脱锂反应，分别对应锂从C=O基团以及苯环上的脱出过程。从第2圈循环开始，可以观察到后续的氧化还原峰的出现位置与强度基本相似，重叠性较好，这说明Co-MOF/Pcnf电极具有优良的可逆性。图6(b)展示的是Co-MOF/Pcnf和Co-MOF在0.1 A/g电流密度下恒电流充放电循环的测试结果。Co-MOF/Pcnf初始放电和充电容量分别为2175.6和1780.4 mAh/g，首圈库伦效率为81.84%。第一圈中较低的库伦效率以及不可逆的容量损失是由电解质的分解以及SEI膜的产生所造成的。经过100圈充放电后Co-MOF/Pcnf持着1081 mAh/g的可逆容量以及接近100%的库伦效率，相比之下Co-MOF只能保持431.7 mAh/g的可逆容量。图中Co-MOF/Pcnf电极的容量在10次循环后逐渐上升，最终稳定在1000 mAh/g左右，这与电极的活化过程有关[18]。图6(c)展现的是Co-MOF和Co-MOF/Pcnf材料分别在0.1、0.2、0.5、1、2、5和10 A/g的电流密度下的储锂能力。Co-MOF的比容量分别为698.8、573.7、396.2、275.4、166.5、69.4和43.8 mAh/g，均高于Co-MOF。当电流密度恢复到0.1 A/g时，Co-MOF/Pcnf仍保持 1020.77 mAh/g的可逆容量。表明Co-MOF/Pcnf表现出优异倍率能力。此外，还将Co-MOF/Pcnf在1 A/g电流密度下进行长循环测试，其结果如图6(d)所示。经过1000圈的循环后Co-MOF/Pcnf仍能保持着623.4 mAh/g的可逆容量。Co-MOF和Co-MOF/Pcnf的交流阻抗图普测试结果如图6(e)所示，其中半圆直径表示高频下的转移电阻(Rct)，低频区域的线性部分代表电极的欧姆电阻(Rs)。通过观察可以明显看出，Co-MOF/Pcnf复合材料相较于Co-MOF有着更小的电荷转移电阻(Rct)，这说明引入多孔碳纤维的Co-MOF/Pcnf材料具有更好的导电性能，这也是Co-MOF/Pcnf材料具有优异电化学性能的原因之一。

    3.   总结

    • 为了改善MOFs材料电极在应用中性能不佳的问题，本文通过静电纺丝和气-固反应制备了负载有小尺寸MOF的多孔碳纤维复合材料，并将其作为锂离子电池负极材料。该材料具有优秀的锂离子储存能力。Co-MOF/Pcnf电极在0.1 A/g循环100次后可提供1081 mAh/g的高比容量。甚至在1 A/g的电流密度下，循环1000圈后仍可保持623.4 mAh/g的可逆容量。与Co-MOF电极相比，Co-MOF/Pcnf电极的各项电化学性能均有一定程度的提高。Co-MOF/Pcnf电化学性能的提升是多孔碳纤维结构与该制备方法形成的小尺度结构协同作用的结果。本研究可以为MOFs材料电极的发展提供新的思路。

    参考文献 (18)

目录

/

返回文章
返回