新型锂离子电池正极材料FeF3、CuF2复合材料的制备及改性研究

摘要

金属氟化物正极材料是近几年来发展起来的一类新型锂离子电池正极材料,它不仅有较高的理论工作电压,其基于可逆化学转换反应的储能方式,更使其拥有更高的放电比容量,是 LiCoO2、LiMn2O4等传统正极材料的几倍,已经成为正极材料中的研究热点。作为金属氟化物正极材料之中的佼佼者,FeF3,CuF2具有比容量高、成本低、环境友好等优点,吸引了众多研究者的目光。本论文主要通过金属离子掺杂和制备金属氟化物复合材料的方法对FeF3,CuF2进行改性,并研究其结构和电化学性能。
　　采用液相法对FeF3进行 Ni2+掺杂,制备了 Fe1-xNi3x/2F3材料,按质量比为85％:15%将其与乙炔黑球磨,从而获得了Fe1-xNi3x/2F3/C复合材料。重点研究了镍掺杂对材料结构和电化学性能的影响。经过XRD、SEM和电化学测试技术研究发现,Ni2+掺杂没有改变FeF3晶型结构。x=0.05时制得的Fe1-xNi3x/2F3/C正极复合材料具有最好的电化学活性。Fe0.95Ni0.075F3/C正极复合材料在2~4.5V范围以0.1C倍率放电时首次放电比容量为211mAh·g-1,30次循环后仍保持有175mAh·g-1,容量保持率达82.9%。
　　利用正交试验的方法研究了Cu2+掺杂量,干燥温度,干燥时间和球磨时间对 Fe1-xCu3x/2F3/C锂离子电池正极复合材料性能的影响。对0.1C、1C时放电结果进行极差分析,分析结果表明掺杂量,干燥温度对复合材料影响巨大,最佳条件组合应为干燥温度170℃,掺杂量x=0.03,干燥时间12h,球磨时间4h。最佳条件下合成Fe0.97Cu0.045F3/C正极复合材料0.1C、0.2C、0.5C、1C放电时,放电比容量分别为231mAh·g-1、212mAh·g-1、209mAh·g-1、169mAh·g-1,且材料具有良好的电化学循环性能,容量衰减主要发生在前3次循环,之后具有较好的容量保持率。
　　按质量比为85%:15%将CuF2与导电材料(乙炔黑,V2O5,MoS2或者MoO3)球磨并退火,制备了不同的CuF2复合材料,进行放电测试发现:CuF2/MoO3混合导电复合材料具有最好的放电性能。选用球磨后 CuF2/MoO3前驱体探讨退火温度对 CuF2/MoO3混合导电复合材料形成的影响,研究发现在250℃、Ar气氛围下退火制得的 CuF2/MoO3混合导电复合材料性能最好,0.1C放电,放电截止电压为1.5V时,放电比容量高达483mAh·g-1,明显高于CuF2正极材料278mAh·g-1,接近其理论容量528mAh·g-1。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池的发展概况

1.3 锂离子电池结构和工作原理

1.4 锂离子电池正极材料研究进展

1.5 金属氟化物正极材料研究进展

1.6 本课题的主要研究内容和意义

第2章 实验方法和原理

2.1 实验仪器及试剂

2.2 前躯体制备

2.3 电池的制作

2.4 材料电化学测试与表征

第3章 Fe1-xNi3x/2F3/C的制备、表征及电化学性能研究

3.1 引言

3.2 Fe1-xNi3x/2F3/C纳米复合材料的制备

3.3 前躯体TG/DTG分析

3.4 干燥温度对Fe0.95Ni0.075F3/C复合材料性能的影响

3.5 物相表征

3.6 电化学性能研究

3.7 小结

第4章 Fe1-xCu3x/2F3/C制备、表征及电化学性能研究

4.1 引言

4.2 材料的合成

4.3 正交试验设计

4.4 试验方案和实验结果

4.5 实验结果极差分析

4.6 物相表征

4.7 电化学性能研究

4.8 小结

第5章 CuF2复合材料的制备、表征及电化学性能研究

5.1 引言

5.2 复合材料的材料制备

5.3 不同导电剂制备的氟化铜复合材料首次放电性能

5.4 退火温度对CuF2/MoO3混合导电复合材料的影响

5.5 物相表征

5.6 电化学性能研究

5.7 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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