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氟化铁正极材料的可控合成及电化学性能研究

【摘要】:经过20多年发展,锂离子电池已经广泛应用于各类便携式电子设备,并逐步向电动车和能源存储等应用领域拓展。正极材料作为锂离子电池的重要组成部分,直接影响电池的能量密度、生产成本及安全性等参数。氟化铁正极材料以其较高的电压平台和理论比容量、低廉的成本以及良好的安全性,受到了科研工作者的广泛关注。然而,氟化铁较低的本征电导率和锂离子扩散系数,阻碍了其在锂离子电池中的进一步应用。针对以上问题,本论文通过构建纳米结构和纳米复合物有效改善了FeF_3·0.33H_2O的电化学性能,主要结论如下:设计了一种简单的液相合成方法:以乙酰丙酮铁为铁盐、氢氟酸(HF)为氟源,三缩四乙二醇(TEG)作为溶剂,利用反胶束原理在较低的温度下合成了氟化铁纳米材料。其中乙酰丙酮铁具有两亲性质,在三缩四乙二醇和氢氟酸水溶液的两相体系中,会形成以氢氟酸水溶液为核心的反胶束基团,调节HF水溶液和铁盐的比例,可得到具有单分散性的纯相FeF_3·0.33H_2O纳米球(粒径约300 nm)。在1000 mA g~(-1)的电流密度下充放电循环50次之后,该FeF_3·0.33H_2O纳米球的放电比容量可达到101 mAh g~(-1),容量保持率为84%。进一步调控反应温度制备出具有分层级介孔结构的FeF_3·0.33H_2O材料,该材料具有丰富的孔结构和较大的比表面积,有利于电解液的浸润。电化学性能测试结果表明该材料具有良好的倍率性能:当电流密度为2000 mA g~(-1)时,材料放电比容量达到115.6 mAh g~(-1);在1000 mA g~(-1)的电流密度下循环100次后,放电比容量为143 mAh g~(-1)。三电极阻抗测试表明该材料的电荷转移阻抗随循环增加无明显变化,且循环前后的微观形貌保持一致,具有良好的结构稳定性。通过原位复合方法制备了FeF_3·0.33H_2O@rGO复合材料,基于氧化石墨烯(GO)表面的有氧基团和Fe~(3+)之间的相互作用,诱使FeF_3·0.33H_2O颗粒在GO表面均匀分散,同时GO还为FeF_3·0.33H_2O颗粒提供了更多成核位点,从而获得了更小的颗粒尺寸(150 nm)。GO经热处理后转变为还原氧化石墨烯(rGO),为电子的迁移提供了良好的二维导电网络,因此FeF_3·0.33H_2O@rGO复合材料展现出优异的电化学性能:在1000 mA g~(-1)的电流密度下进行100次循环后,材料放电比容量为133.1 mAh g~(-1),且容量保持率高达99%。

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