球形FeF3·0.33H2O正极材料的制备与电化学性能研究

摘要

氟化铁不适合直接用作锂离子电池正极材料，因为其电子导电能力差，使得循环性能和倍率性能都不理想。但氟化铁能发生多电子转移的电化学反应，理论比容量高于常规的正极材料，具有研究价值。含不同结晶水的氟化铁的晶体结构存在显著差异，从而影响其电化学性能。其中，FeF3·0.33H2O具有最佳的电化学性能。目前FeF3·0.33H2O一般由FeF3·3H2O加热失去部分结晶水制得，因此找到一种简单、环保的合成方法，对促进 FeF3·0.33H2O正极材料的研究与应用意义重大。FeF3·0.33H2O导电性差，降低其颗粒尺寸，以及掺杂适量的其它元素，有望提高其导电能力。
　　本论文使用溶剂热法一步合成了FeF3·0.33H2O，合成方法简单环保，材料产率可达69.7％，实验重复性好。对合成FeF3·0.33H2O的反应温度进行了探究，结果表明180℃下制备的材料为单一的FeF3·0.33H2O相。所得FeF3·0.33H2O一次粒子为锥形粒子，大头粗细为200-500 nm左右，部分一次粒子会松散地聚集在一起，形成一些破碎的球状结构。在1.5-4.5 V的电压范围内，在0.2C(1C=237 mA/g)倍率下，用180℃下制备的FeF3·0.33H2O作为锂离子电池正极材料，进行充放电循环测试，首次放电比容量达到386 mAh/g，循环100次后放电比容量为99 mAh/g，循环200次后放电比容量为81mAh/g，除首次外，库伦效率接近100%。在2C、5C、10C倍率下，放电比容量分别为55 mAh/g、29mAh/g、16mAh/g。
　　Mg2+的离子半径和Fe3+相近，容易进入FeF3·0.33H2O的晶体结构中，形成F空位，有利于提高材料的导电能力。本论文首次尝试用不同比例的 Mg元素对FeF3·0.33H2O进行了掺杂，合成了多孔球形Fe1-xMgxF3-x·0.33H2O（x=0.09,0.13,0.17）材料，产率分别为77.6%、85.2%、88.5%。通过测试，发现适量的Mg掺杂没有破坏FeF3·0.33H2O的晶体结构，且Mg元素在样品中分布均匀。其中球形Fe0.87Mg0.13F2.87·0.33H2O的粒径最小，为600 nm左右。多孔球是由大头粗细为50-100 nm的锥形一次粒子按尖端朝内的规律组成的，Mg掺杂减小了锥形一次粒子的尺寸。在不同Mg含量的材料中，Fe0.87Mg0.13F2.87·0.33H2O的电化学性能最优异，在1.5-4.5 V的电压范围，在0.2 C倍率下，100次循环后放电比容量为158 mAh/g，200次循环后放电比容量为139 mAh/g，与FeF3·0.33H2O相比分别增长了59.60%、71.60%；在2C、5C、10C倍率下的放电比容量分别为106 mAh/g、77 mAh/g、47 mAh/g，相对于 FeF3·0.33H2O分别增长了92.73%、165.52%、193.75%。适量的Mg掺杂改善了FeF3·0.33H2O的导电性，提高了其循环稳定性和倍率性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3 锂离子电池正极材料

1.4氟化铁正极材料

1.5 本课题的意义和主要研究内容

第2章 实验方法

2.1 实验药品和仪器

2.2 材料的物理性能表征

2.3 2025型扣式电池的制备

2.4 材料的电化学性能表征

第3章 FeF3·0.33H2O的制备及性能研究

3.1 引言

3.2 FeF3·0.33H2O的合成及反应温度探究

3.3 样品的物理表征

3.4 FeF3·0.33H2O的电化学性能测试

3.5 本章小结

第4章Fe1-xMgxF3-x·0.33H2O(x= 0.09,0.13,0.17)的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 Fe1-xMgxF3-x·0.33H2O (x=0.09, 0.13, 0.17 ) 的合成

4.3Fe1-xMgxF3-x·0.33H2O(x= 0.09,0.13,0.17)的物理表征

4.4Fe1-xMgxF3-x·0.33H2O(x= 0.09,0.13,0.17)的电化学性能测试

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间的科研成果