锂二次电池新型正极材料BiF3的制备、改性和电化学性能研究

摘要

金属氟化物是近几年来才发展起来的新型锂离子电池正极材料,其工作原理是基于可逆化学转换反应,不同于传统的锂离子嵌入/脱出反应机理,由此获得的比能量明显高于传统嵌脱型锂离子电池,已经成为锂离子电池的研究热点之一。但氟化物的低电导性导致其实际容量不高,因此,提高其导电性已成为氟化物正极材料研究的重点。
　　本文首次采用液相沉淀法合成BiF3,对其结构和形貌进行表征,通过添加电导剂和掺杂的方法提高BiF3的电导率,并且以提高其电化学性能为目标而展开研究工作。重点讨论了掺杂导电剂的BiF3/C和BiF3/Ag复合材料、氧阴离子掺杂产物BiO0.1F2.8和BiO0.1F2.8/C、阴阳离子掺杂产物Bi2VO5F的物理化学性能和电化学性能。主要工作包括:
　　(1)对于液相沉淀法合成的BiF3,用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电化学测试等对其结构和电化学性能进行了研究,发现其为导电性很差的正极材料,在放电截止电压为1.0V,0.1C倍率下的首次放电容量为236 mAh/g。
　　(2)在液相沉淀法制备BiF3过程中,加入活性炭制备含C5wt.％的BiF3/C复合材料;以及将制备的BiF3与HCOONH4和AgNO3溶液混合,球磨混合物,HCOO-将Ag+还原为金属Ag,均匀地包覆在BiF3表面而制备含Ag5wt.%的BiF3/Ag复合材料。用XRD、SEM和电化学测试技术分别对BiF3/C和BiF3/Ag的物理性能和电化学性能进行了研究。测试结果表明两种材料的物理性能和电化学性能与BiF3相比,均得到明显的改善,且BiF3/Ag复合材料的电化学性能优于BiF3/C复合材料,两种材料在放电截止电压为1.0 V、0.1C放电倍率的条件下,放电比容量分别为259 mAh/g和267 mAh/g。
　　(3)用液相沉淀法制备了BiO0.1F2.8,并在制备过程中加入活性炭,制备了含C5wt.%的BiO0.1F2.8/C。用XRD、SEM、电化学测试技术对BiO0.1F2.8和BiO0.1F2.8/C的物理性能和电化学性能进行了研究。研究结果表明,BiO0.1F2.8和BiO0.1F2.8/C的首次放电容量分别为259 mAh/g和268 mAh/g,均高于BiF3,且BiO0.1F2.8/C的容量高于BiO0.1F2.8。
　　(4)用高温固相法合成了Bi2VO5F,并研究合成条件对其结构、形貌和电化学性能的影响,发现550℃下合成的产品的电化学性能最佳,以100 mA/g的恒电流在1.4～3.5 V之间充放电,首次放电平台为1.7 V,容量为222 mAh/g。经过15次循环,放电容量仍为105 mAh/g,放电电压平台为1.95 V。

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第1章 绪 论

1.1 锂离子电池概述

1.2 锂离子电池正极材料研究进展

1.3 金属氟化物正极材料的研究进展

1.4 本论文研究的意义及主要研究内容

第2章 实验及仪器方法

2.1 实验流程

2.2 实验主要试剂和仪器

2.3 电极活性物质的制备

2.4 电池制作技术

2.5 分析测试方法和原理

第3章 BiF3的制备、表征与电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 X-射线衍射分析

3.4 样品的形貌分析

3.5 电化学性能分析

3.6 本章小结

第4章 BiF3/C与BiF3/Ag的制备、表征与电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验

4.3 X-射线衍射分析

4.4 样品的形貌分析

4.5 电化学性能分析

4.6本章小结

第5章 BiO0.1F2.8与BiO0.1F2.8/C的制备、表征及电化学性能研究

5.1 引言

5.2 实验

5.3 X-射线衍射分析

5.4 样品的形貌分析

5.5 电化学性能研究

5.6 本章小结

第6章 Bi2VO5F的合成及电化学性能研究

6.1 引言

6.2 实验

6.3 前驱体TG/DTG分析

6.4 X-射线衍射分析

6.5 样品的形貌分析

6.6 电化学性能分析

6.7 P550电化学性能研究

6.8 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间公开发表的论文