氟化鐵作為鋰離子電池正極材料的制備及性能研究.pdf

1、鋰離子電池具有體積小、安全性好、比容量大、放電電壓高且穩(wěn)定、循環(huán)壽命長、充放電速度快、工作條件要求范圍大等優(yōu)點近些年來成為科學(xué)家研究的熱點。然而，影響鋰離子電池的電化學(xué)性能的因素有正極材料、負極材料、電解液。其中正極材料對鋰離子電池性能的影響最大，約占40％-50%。因此，研究開發(fā)良好的鋰離子電池正極材料是提高鋰離子電池性能的重中之重。
　　FeF3作為新興的鋰離子電池正極材料，既可以與鋰離子進行嵌入脫出的反應(yīng)，又可以利用鐵元素的

2、全部氧化態(tài)與鋰離子發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)來儲存能量，該反應(yīng)有三個電子的轉(zhuǎn)移，所以具有很高的理論比容量。在2.0V-4.5V電壓范圍內(nèi)FeF3的理論比容量為237mAh/g，而在1.0V-4.5V電壓范圍內(nèi)它的理論比容量可達712mAh/g。但是由于金屬氟化物的離子鍵特性，能帶隙過大，造成了它鋰離子電導(dǎo)率低和電子電導(dǎo)率差。因而本論文研究具有高儲能性和電子電導(dǎo)率的FeF3鋰離子電池正極材料。
　　本論文利用不同方法制備FeF3的化合物，并經(jīng)

3、過高溫焙燒和組裝電池測試其電化學(xué)性能。并借助X射線衍射、掃描電子顯微鏡、電池充放電測試、電化學(xué)工作站、電化學(xué)交流阻抗測試儀等。對所制備樣品的物理性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)進行了深入的表征，探討了相關(guān)的機理。
　　研究包括利用Fe(NO3)3·9H2O和HF作為反應(yīng)物，無水乙醇作為溶劑?？疾炝嗽诔叵潞腿軇醿煞N方法制備了FeF3·3H2O前軀體，在氬氣保護下260℃保溫3h得到具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的FeF3·0.33H2O，其中用溶劑熱的方法制

4、備了具有中空結(jié)構(gòu)的FeF3·0.33H2O晶體。并在不同電流密度下對FeF3·0.33H2O組成的電池進行充放電測試和循環(huán)性能測試。結(jié)果表明用溶劑熱法制備的FeF3·0.33H2O有即使在電流密度為1130mA/g下進行充放電5次，仍然可以得到94mAh/g的放電容量，而常溫下制備的僅有58mAh/g。表現(xiàn)出了比較好的大電流充放電性能和循環(huán)性能。
　　利用Fe(NO3)3·9H2O和NH4F作為反應(yīng)物，無水乙醇作為溶劑，分別在常溫

5、下和溶劑熱法制備了FeF3·0.33H2O和FeF3·3H2O的混合物。用NH4F代替HF酸作為氟源，因為NH4F安全無毒。雖然溶劑熱法制備的粒徑很小，但是團聚現(xiàn)象嚴重，不利于鋰離擴散，使得放電容量小。并在不同電流密度下所得的產(chǎn)物組成的電池進行充放電測試和循環(huán)性能測試。
　　論文還研究了利用Fe(OH)3和HF作為反應(yīng)物，無水乙醇作為溶劑分別用水浴法和溶劑熱法制備了前軀體FeF3·3H2O，并在氬氣保護下260℃保溫3h得到了Fe

6、F3·0.33H2O晶體。用溶劑熱法制備了直徑約為500nm的微球。并在不同電流密度下所得的產(chǎn)物組成的電池進行充放電測試和循環(huán)性能測試。結(jié)果表明：溶劑熱法制備的FeF3·0.33H2O在電流密度為113mA/g時，第二次放電時可以得到176.7mAh/g的放電容量。并且10次循環(huán)后，放電容量穩(wěn)定在169mAh/g，在電流密度為1130mA/g時，仍可得到110mAh/g的放電容量。
　　本論文還探究了用碳布代替鋁箔成為正極集流體。

7、分別用Fe(OH)3和HF、Fe(NO3)3·9H2O和HF作為反應(yīng)物，無水乙醇作為溶劑。用溶劑熱的方法在碳布上生長前軀體FeF3·3H2O。并在氬氣保護下260℃保溫3h得到了FeF3·0.33H2O晶體。進行SEM表征時可以看到，F(xiàn)eF3·0.33H2O顆粒生長在碳布基底上。組裝成扣式電池后，在不同電流密度下測試在碳布上生長FeF3·0.33H2O正極材料的倍率性能和循環(huán)性能。結(jié)果表明：用Fe(OH)3和HF、Fe(NO3)3·9H