铁基氟化物正极材料的制备及其电化学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zyy_2009
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氟化铁(FeF3)以其超高的理论容量和较高的放电平台成为极具发展潜力的锂离子电池正极材料。然而,由于能带宽度大且晶体结构致密,FeF3的电子/离子电导率很低,严重影响了其倍率性能和转化反应活性。通过开框架策略和阴离子取代被证实能够得到本征电导率更高的氟化铁矿物相,其中具有开放隧道结构的六方钨青铜(HTB)FeF3·0.33H2O和烧绿石相FeF3·0.5H2O表现出很好的倍率性能,混合阴离子Fe OF表现出很好的转化活性。开发安全、简单、成本低、可控性强的合成方法是该类材料应用的关键,也是氟化物领域研究的难点。本文以FeF3·3H2O为前驱体通过多种反应机制的探索,实现了上述三种新型氟化铁矿物相的高效制备,设计了不同的复合方式为氟化物构筑了基于石墨烯的导电网络,并对材料的合成过程、物理性质、储锂性能等进行了探索和研究。采用溶剂热法,在正戊醇溶剂中实现了FeF3·3H2O微米晶向具有微纳分级结构FeF3·0.33H2O的转化。通过研究溶剂和温度对产物形貌及结构的影响,提出了基于固-固拓扑相变和自模板法的转化机理。与传统热处理方法所得的微米FeF3·0.33H2O相比较,该溶剂热法所得产物纯度和结晶度高,特殊的分级结构既具有纳米材料高比表面积带来的优点,又可以规避纳米粒子易团聚的劣势,且可以缓冲体积膨胀,在电化学反应中具有很强的优势。5 C倍率下,其放电容量可达113.5 m Ah g-1,高于微米FeF3·0.33H2O的24.8 m Ah g-1。以氧化石墨烯(GO)为原料,通过一步复合法成功构筑了氟化铁/还原的氧化石墨烯复合材料(FeF3·0.33H2O/r GO),FeF3·0.33H2O纳米颗粒(30-50 nm)被紧密地夹在石墨烯层间,形成了稳定且具有高电导率的复合结构。FeF3·0.33H2O/r GO展现了良好的循环稳定性,0.5 C循环100圈的容量保持率达98%,高于FeF3·0.33H2O(88%)。此外,复合物在高达10 C的倍率下,仍能释放122 m Ah g-1的比容量,计算表明表面电容行为贡献了一定的容量。采用反溶剂沉淀法,以FeF3·3H2O为前驱体、甲醇为溶剂、丙酮为反溶剂,制备了粒径250 nm左右,比表面积高达141.6 m2 g-1的介孔结构烧绿石相FeF3·0.5H2O纳米球。对溶剂、反溶剂的选择进行了详细的论证,讨论了两者的用量对物相生成的影响机制。整个反应在室温下进行,产物无需额外的清洗,不涉及昂贵器材的使用,可以大规模合成。为了提高材料的电子电导率,通过抽滤辅助沉降法实现了r GO与FeF3·0.5H2O纳米小球夹心结构复合材料(FeF3·0.5H2O/r GO)的制备。与将两组分直接干混(FeF3·0.5H2O-r GO)相比,液相中的复合方式更能发挥石墨烯高比表面积的优势,且两组分之间的接触更紧密,因而所得复合物具有更稳固和完整的导电网络,其放电性能和循环稳定性也更高:FeF3·0.5H2O/r GO在0.5 C循环200圈时的放电容量为140.5 m Ah g-1,容量保持率可达88%,远高于FeF3·0.5H2O-r GO(110 m Ah g-1,77%)和FeF3·0.5H2O(86.5 m Ah g-1,71%)。采用高温醇热法,以FeF3·3H2O和正戊醇为反应原料合成了具有类海星分级结构的纯相Fe OF纳米材料,对不同反应阶段的产物进行了详细的表征,分析并修正了具有该特殊结构Fe OF可能的生成机理及对储锂性能的影响。通过静电自组装-热还原结合的方法,构筑了Fe OF与r GO的复合物(Fe OF/r GO),石墨烯不仅为Fe OF相提供了良好的导电网络,也在一定程度上避免了转化反应的产物(主要是金属Fe)与电解液的直接接触。复合物在100 m A g-1的电流密度,100次循环内的容量保持率为94.7%,远高于纯相Fe OF(75.4%)。
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