氟化物正极材料的制备及其性能研究

发布时间：2017-07-26 20:14

  本文关键词：氟化物正极材料的制备及其性能研究

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【摘要】：本论文主要以Fe(NO3)3·9H2O和NH4F为原料通过机械化学法合成Fe F3/C正极材料,分析材料的电化学性能和嵌脱锂动力学过程,并进一步研究了钴掺杂对其结构和电化学性能的影响与合成过程中添加助磨剂Si C对其结构和电化学性能的影响。具体内容如下:首先,通过化学沉淀法和机械化学法分别制备出Fe F3·0.33H2O和β-Fe F3·3H2O材料,然后将其与碳复合形成Fe F3/C复合材料。结果表明β-Fe F3·3H2O/C复合材料显示出更好的倍率特性和容量保持率。在1.5-4.5 V间20m A·g-1电流密度其首次放电比容量为504.2 m Ah·g-1,其容量损失是由于首次充放电后低于1.6 V的电压平台消失且主要发生在前面几周,10周之后其放电比容量逐渐趋于稳定。30周后其在60 m A·g-1的电流密度的可逆容量为140.9m Ah·g-1,是20 m A·g-1电流密度下容量的87%。其次,采用一步机械化学法合成Fe F3·0.33H2O/C复合材料,结果表明Fe F3·0.33H2O/C复合材料在电压为1.8-4.5间电流密度为20 m A·g-1其首次放电容量达233.9 m Ah·g-1,其可逆容量为157.4 m Ah·g-1。通过交流阻抗测得其在开路电位为2.05 V-3.18 V间的锂离子扩散系数为1.2×10-13~3.6×10-14cm2·s-1之间。通过GITT测试得到的锂离子扩散系数结果在8.1×10-14~1.2×10-15cm2·s-1之间。通过GITT和EIS测得的锂离子扩散系数相似,且其最大值都在电压为2.5V处。不同开位电路下的交流阻抗谱曲线表明:交流阻抗曲线与电压相关,而且R0,RSEI,RE和Qdiff的值在开路电位2.5 V处突然改变。实验表明开路电位2.5 V处对Fe F3·0.33H2O/C正极材料的电化学性能影响非常重要。再次,通过对Fe F3/C复合材料进行钴掺杂,结果表明少量的钴掺杂能有效地提高Fe F3/C材料的循环性能和倍率性能。尤其是Fe0.95Co0.05F3/C复合材料在1.8-4.5 V间首次放电比容量为208.4 m Ah g-1,循环30周后其可逆容量还能保持在129 m Ah g-1。最后,通过在机械化学法合成过程中添加助磨剂Si C来制备Fe F3/C复合材料。添加Si C助磨剂质量分数为0%,2%,5%的氟化铁材料展示出相近的首次放电比容量,但其容量保持率分别为53.87%,58.83%和66%。结果表明合成过程中添加一定量的Si C助磨剂能一定程度上提高Fe F3/C材料的循环性能。
【关键词】：氟化铁 机械化学法 锂离子电池 锂离子扩散系数
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 绪论12-29
• 1.1 锂离子电池简介12-17
• 1.1.1 锂离子的发展12-14
• 1.1.2 锂离子电池的组成、工作原理及特点14-17
• 1.2 锂离子电池正极材料17-20
• 1.2.1 锂离子电池正极材料的选择原则17
• 1.2.2 常见的锂离子正极材料17-20
• 1.3 锂离子电池正极材料氟化铁的研究进展20-27
• 1.3.1 氟化铁的结构特点及优势20-21
• 1.3.2 氟化铁的储能机制21-22
• 1.3.3 氟化铁材料的制备方法22-25
• 1.3.4 氟化铁材料的改性研究25-27
• 1.4 本课题研究的目的、意义以及主要内容27-29
• 2 FeF_3与FeF_3/C的合成及电化学性能研究29-42
• 2.1 引言29
• 2.2 实验部分29-32
• 2.2.1 实验试剂与仪器29-30
• 2.2.2 材料的制备30-31
• 2.2.3 材料的结构表征31
• 2.2.4 电池组装及电化学性能测试31-32
• 2.3 结果与讨论32-41
• 2.3.1 X-射线衍射衍射比较分析32-33
• 2.3.2 热稳定性（TG-DTA）比较分析33-35
• 2.3.3 红外光谱(IR)比较分析35-36
• 2.3.4 充放电和循环性能比较分析36-38
• 2.3.5 循环和倍率性能比较分析38-40
• 2.3.6 循环伏安（CV）比较分析40-41
• 2.4 本章小结41-42
• 3 一步机械化学法合成FeF_3/C及其Li~+传输动力学的研究42-63
• 3.1 引言42
• 3.2 实验部分42-44
• 3.2.1 材料的制备42
• 3.2.2 材料的结构和形貌表征42-43
• 3.2.3 电池组装及电化学性能测试43
• 3.2.4 弛豫时间分布理论（DRT）分析43-44
• 3.3 结果与讨论44-61
• 3.3.1 X射线粉末衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析44-45
• 3.3.2 红外（IR）和热重-差热分析（TG-DTA）分析45-47
• 3.3.3 电化学性能分析47-49
• 3.3.4 电交流阻抗法（EIS）测定锂离子扩散系49-52
• 3.3.5 恒电流间歇滴定技术（GITT）测定锂离子扩散系数52-55
• 3.3.6 不同电压的EIS研究Li~+的传输行为55-61
• 3.4 本章小结61-63
• 4 钴掺杂Fe_(1-x)CoxF_3/C结构及电化学性能的研究63-74
• 4.1 引言63
• 4.2 实验部分63-65
• 4.2.1 材料制备63
• 4.2.2 材料的制备63-64
• 4.2.3 材料的结构表征64
• 4.2.4 电池组装及电化学性能测试64-65
• 4.3 结果与讨论65-73
• 4.3.1 X射线衍射（XRD）分析65-66
• 4.3.2 循环伏安（CV）分析66-67
• 4.3.3 充放电性能和循环性能分析67-69
• 4.3.4 倍率性能分析69-70
• 4.3.5 交流阻抗（EIS）分析70-71
• 4.3.6 GITT法测定Li~+扩散系数71-73
• 4.4 本章小结73-74
• 5 SiC助磨对FeF_3电化学性能的影响74-80
• 5.1 引言74
• 5.2 实验部分74-75
• 5.2.1 材料制备74-75
• 5.2.2 材料的结构表征75
• 5.2.3 电池组装及电化学性能测试75
• 5.3 结果与讨论75-78
• 5.3.1 X射线衍射（XRD）分析75-76
• 5.3.2 循环伏安（CV）分析76-77
• 5.3.3 循环性能和倍率性能分析77-78
• 5.4 本章小结78-80
• 总结80-82
• 参考文献82-92
• 附录A92-98
• 在学研究成果98-99
• 致谢99

【共引文献】

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