氟化铁作为钠离子电池正极材料的制备及其改性研究

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1、学校代码10530学号201510141401分类号0646密级公开硕士学位论文氟化铁作为钠离子电池正极材料的制备及其改性研究学位申请人刘敏指导教师王先友教授学院名称化学学院学科专业化学研究方向物理化学二零一八年六月ResearchonPreparationandModificationofIronFluoridesasCathodeMaterialsforSodium-IonBatteriesCandidateMinLiuSupervisorProf.XianyouWangCollegeCollegeofChemistryProgramChemistrySpecialization

2、PhysicalChemistryDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018摘要近年来，钠离子电池因资源丰富、价格低廉等优点，逐渐成为储能领域的研究热点。与此同时，钠离子较大的离子半径和较慢的动力学速率，成为制约储钠材料发展的主要因素，因此提高钠离子电池比能量并使其走向应用成为发展性能优异的储钠正极材料的重要目标。其中，氟化铁作为具有多个电子转化反应的正极材料，因其工作电位较高，理论比容量大及价格低廉等诸多优点，近年来被人们广泛关注和研究。在此背景下，本文以氟化铁为主要研究对象，并针对其导电性差和循环稳

3、定性不佳等缺陷，采用不同的策略对其电化学性能进行了改性研究，其具体内容如下：(1)通过离子液体辅助沉淀的方法成功制备了类球形Cr3+掺杂的Fe2F5·H2O正极材料。研究结果表明，在保持Fe3+2F5·H2O晶体结构基本不改变的情况下，Cr掺杂会引起其晶胞参数略微减小。此外，电化学测试显示，掺杂量为5wt.%样品表现出优异的电化学性能。在1.0-4.0V的电压范围内，0.1C(1C=200mAhg-1)的电流密度下，Fe-11.95Cr0.05F5·H2O的首次放电比容量为357mAhg，经过100次循环之后，其比容量仍为171mAhg-1。当电流密度增加到1C时，材料的首次放电比容

4、量为147mAhg-1。与Fe2F5·H2O样品相比，Fe1.95Cr0.05F5·H2O样品显示出更高的放电容量，优异的循环稳定性和更好的倍率性能。(2)采用简易聚乙二醇(PEG)辅助溶剂热的方法，通过改变溶剂中高粘性的聚乙二醇的量来调控晶体的尺寸，从而得到了一系列形貌和尺寸各异的纳米结构FeF3·0.33H2O材料。基于不同量的PEG对形成不同形貌的材料的影响和机理进行了探讨。此外，测试结果表明，具有三维(3D)纳米结构的球形FeF3·0.33H2O表现出最佳电化学性能，在1.0-4.0V的电位范围内，0.1C电流密度下，其首次放电容量高达551mAhg-1，经100次循环后，其

5、容量仍为206mAhg-1，甚至在2.0C的电流密度下，该材料仍可以提供181mAhg-1的高容量。(3)采用溶剂热的方法，经过自组装制备了中空多孔FeF3·0.33H2O微球，并使用不同量的AlPO4对其进行包覆。研究结果表明，适当的包覆处理可以有效地降低电荷转移阻力并提高钠的扩散速率。与原始FeF3·0.33H2O相比，AlPO4包覆量为4wt.％的涂层样品显示出290mAhg-1的高初始放电容量(电位范围为1.2-4.0V，电流密度为0.1C)，良好的循环稳定性(80次循环后，比容量为211mAhg-1)和优异的倍率性能(在2.0C时，比容量可达167mAhg-1)。关键词：钠

6、离子电池；氟化铁；Cr掺杂；形貌和尺寸调控；AlPO4包覆IAbstractInrecentyears,sodium-ionbatteries(SIBs)havebecomearesearchhotspotinthefieldofenergystorageowingtotheiradvantagessuchasabundantresourcesandlowprices.However,itslargerionicradiusandslowerkineticratehavebecomethemainfactorsrestrictingthedevelopmentofsodiumstor

7、agematerials.Therefore,developingthehigh-performancesodiumstoragecathodematerialsisthekeytoincreasethespecificenergyofSIBsandpromotetheirapplication.Amongthem,ironfluorides,asacathodematerialformulti-electronconversionreactions,ha