高倍率氟化鐵納米電極的構(gòu)筑與電化學(xué)性能研究.pdf

1、近年來(lái)，氟化鐵作為一種新型的鋰離子電池正極材料，以其較高的平臺(tái)電位、高達(dá)237mAh g?1的理論容量和低廉的價(jià)格吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。盡管具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，氟化鐵材料固有的低鋰離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率在很大程度上限制了其倍率性能的發(fā)揮。本文針對(duì)氟化鐵的特點(diǎn)，從構(gòu)筑氟化鐵電極結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)合成了四種具有獨(dú)特微觀(guān)結(jié)構(gòu)的氟化鐵電極材料。借助X射線(xiàn)衍射、拉曼光譜、掃描電子顯微鏡、氮?dú)馕摳綔y(cè)試、透射電子顯微鏡、電池充放電測(cè)試、電化學(xué)

2、交流阻抗譜等分析測(cè)試手段，深入全面的表征了制備材料的物理化學(xué)性質(zhì)并系統(tǒng)研究了其電化學(xué)嵌脫鋰性能。
　　采用“綠色溶劑”[Bmim][BF4]離子液體作為氟源和石墨烯納米片的分散劑，利用離子液體咪唑陽(yáng)離子與石墨烯π電子之間的強(qiáng)烈作用，使石墨烯在反應(yīng)體系中均勻分散，這樣就避免了使用氧化石墨烯所帶來(lái)的后續(xù)還原處理。整個(gè)復(fù)合過(guò)程為一步原位合成法，F(xiàn)eF3·0.33H2O納米晶成核和結(jié)晶長(zhǎng)大的過(guò)程都發(fā)生在石墨烯的表面，這種原位的復(fù)合方法保證

3、了石墨烯和氟化鐵顆粒緊密的導(dǎo)電接觸，為其優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能提供了結(jié)構(gòu)方面的保證。FeF3·0.33H2O/GNS復(fù)合電極材料在1 C充放電倍率下，經(jīng)過(guò)200次循環(huán)，放電容量依然可以保持在142mAh g?1；在10 C充放電倍率下循環(huán)250次，容量依然可以保持在115mAhg?1。
　　采用納米澆鑄的方法，制備了具有高速電子傳輸速率和發(fā)達(dá)孔道結(jié)構(gòu)的FeF3·0.33H2O@CMK-3復(fù)合電極材料。FeF3·0.33H2O顆粒

4、與高電子電導(dǎo)的CMK-3牢固接觸，構(gòu)筑了一個(gè)優(yōu)越的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。FeF3·0.33H2O納米晶的生長(zhǎng)和團(tuán)聚被有序介孔碳的孔道結(jié)構(gòu)有效地限制，微小的FeF3·0.33H2O納米晶可以促進(jìn)電子和Li+傳輸，從而顯著改善材料的電化學(xué)性能。復(fù)合電極材料具有適合Li+快速傳輸?shù)囊?guī)則有序的孔道結(jié)構(gòu)，巨大的比表面積保證了電解液與活性物質(zhì)的充分接觸。這些因素有機(jī)結(jié)合，相互協(xié)同作用，使FeF3·0.33H2O@CMK-3復(fù)合電極材料倍率性能得到了顯著的改善。

5、在高達(dá)50 C的放電倍率下，進(jìn)行100次充放電循環(huán)，復(fù)合電極材料的放電容量依然可以穩(wěn)定的保持在79mAh g?1左右。
　　基于碳納米角π電子與離子液體[Bmim][BF4]咪唑環(huán)之間的π-π相互作用，采用簡(jiǎn)單的液相合成方法，制備了具有高比表面積和發(fā)達(dá)孔結(jié)構(gòu)的FeF3·0.33H2O@CNHs復(fù)合電極材料。在 FeF3·0.33H2O@CNHs復(fù)合電極材料中， FeF3·0.33H2O納米顆粒主要位于相鄰的錐形碳納米管形成的空隙位

6、置，由于相鄰錐形碳管的限域作用有效地限制了FeF3·0.33H2O納米顆粒的長(zhǎng)大和團(tuán)聚，使得具有微小尺寸的FeF3·0.33H2O（~5 nm）納米顆粒均勻的分散于碳納米角形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。氮?dú)馕摳綔y(cè)試的結(jié)果顯示，F(xiàn)eF3·0.33H2O@CNHs的比表面積高達(dá)268.9m2g?1，平均孔徑尺寸為5.59 nm，發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu)和大比表面積保證了電解液的充分浸潤(rùn)和鋰離子的快速傳輸。FeF3·0.33H2O@CNHs復(fù)合電極材料在0.

7、5 C、1 C、2 C、5 C、10 C和20 C的倍率下進(jìn)行充放電，放電容量分別為169,157,140,131、120和106mAh g?1。在高達(dá)50 C的充放電倍率下，復(fù)合電極材料依然可以穩(wěn)定的釋放高達(dá)81mAh g?1的容量。在1 C的充放電倍率下，50次充放電循環(huán)后放電容量為153mAh g?1。
　　采用溶劑熱合成的方法，制備了具有分等級(jí)結(jié)構(gòu)的自支撐FeF3·0.33H2O花狀陣列電極，通過(guò)分析不同溶劑熱反應(yīng)時(shí)間所得

8、樣品的微觀(guān)形貌，研究FeF3·0.33H2O花狀陣列的生長(zhǎng)機(jī)理。FeF3·0.33H2O花狀陣列是由10 nm厚的―納米花瓣”相互連接形成直徑約為1μm的分等級(jí)花狀結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步借助氮?dú)馕摳綔y(cè)試對(duì)花狀陣列的孔徑分布進(jìn)行了分析，樣品在3.5 nm和10-20 nm這兩個(gè)位置存在著明顯的介孔分布。其中，3.5 nm的介孔為組成“納米花瓣”的納米顆粒之間形成的孔道；而10-20 nm的介孔則對(duì)應(yīng)著相鄰的“納米花瓣”之間形成的開(kāi)放孔道結(jié)構(gòu)。Fe