锂离子电池关键材料FeF3和LiTi2(PO4)3的制备及性能研究

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FeF3可进行可逆化学转换反应,其理论比容量高达712mAh/g,但FeF3离子键特征强、能带隙宽、导电性差,导致其实际比容量低、容量衰减快、倍率性能差,严重阻碍了它的实际应用。钠超离子导体型的LiTi2(PO43具有三维网状结构,Li+可在其晶体结构所含有的三维通道中迁移,因此,离子导电性较好,然而其差的电子导电性导致倍率性能较差。本论文以提高FeF3和LiTi2(PO43的导电性为目的,进而改善材料的电化学性能,尤其是提高材料的倍率性能。采用低温液相法合成FeF3·3H2O,经热处理后得到FeF3·0.33H2O和FeF3。研究表明,正交晶系的FeF3·0.33H2O具有最好的电化学性能。为了提高材料的电子导电性,将其与乙炔黑球磨并进行真空热处理制备FeF3·nH2O/C (n=3,0.33,0)纳米复合材料。结果表明,尽管三种材料的晶体结构不同,但在1.04.5V的电压范围内都可发生Fe3+还原为Fe0的可逆化学转换反应。FeF3·0.33H2O/C复合材料在2.04.5V的电压范围,0.1C和5C倍率下,其首次放电比容量分别为177.6,105.1mAh/g,循环100次后,其容量保持率分别高达83.8%和83.3%。为了进一步改善FeF3·0.33H2O的电化学性能,对其进行Co离子掺杂,制备了Fe1-xCoxF3·0.33H2O/C (x=0,0.03,0.05,0.07)复合材料,详细研究了钴掺杂量对材料结构和性能的影响。结果表明,Co离子成功地掺杂到Fe位,Co离子掺杂能大大提高材料的倍率性能和循环性能。Fe0.95Co0.05F3·0.33H2O/C纳米复合材料具有最佳的电化学性能,在2.04.5V电压范围,1C,2C,5C (1C=237mA/g)倍率下,其放电比容量分别为151.7,136.4,127.6mAh/g,循环100次后,其容量保留率高达92.0%,92.2%和91.7%。采用聚乙二醇溶胶-凝胶法制备LiTi2(PO43,并将其与乙炔黑球磨制备LiTi2(PO43/C复合材料。探讨了煅烧温度对LiTi2(PO43晶体结构和性能的影响,结果表明,850°C合成的LiTi2(PO43性能最佳。碳包覆能提高材料的电子导电率,减小电化学极化从而抑制电池的容量衰减。LiTi2(PO43/C复合材料在1.53.5V电压范围,0.1C,0.5C,1C,2C,5C和10C (1C=140mA/g)的倍率下,放电比容量分别为139.9,126.4,115.8,106.0,97.1,91.3mAh/g,10C倍率循环100次后其容量保持率达81.5%。
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