锂二次电池新型正极材料BiF3的制备、改性和电化学性能研究

论文摘要

金属氟化物是近几年来才发展起来的新型锂离子电池正极材料,其工作原理是基于可逆化学转换反应,不同于传统的锂离子嵌入/脱出反应机理,由此获得的比能量明显高于传统嵌脱型锂离子电池,已经成为锂离子电池的研究热点之一。但氟化物的低电导性导致其实际容量不高,因此,提高其导电性已成为氟化物正极材料研究的重点。本文首次采用液相沉淀法合成BiF3,对其结构和形貌进行表征,通过添加电导剂和掺杂的方法提高BiF3的电导率,并且以提高其电化学性能为目标而展开研究工作。重点讨论了掺杂导电剂的BiF3/C和BiF3/Ag复合材料、氧阴离子掺杂产物BiO0.1F2.8和BiO0.1F2.8/C、阴阳离子掺杂产物Bi2VO5F的物理化学性能和电化学性能。主要工作包括:（1）对于液相沉淀法合成的BiF3,用X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电化学测试等对其结构和电化学性能进行了研究,发现其为导电性很差的正极材料,在放电截止电压为1.0V,0.1C倍率下的首次放电容量为236 mAh/g。（2）在液相沉淀法制备BiF3过程中,加入活性炭制备含C 5wt.%的BiF3/C复合材料;以及将制备的BiF3与HCOONH4和AgNO3溶液混合,球磨混合物,HCOO-将Ag+还原为金属Ag,均匀地包覆在BiF3表面而制备含Ag 5wt.%的BiF3/Ag复合材料。用XRD、SEM和电化学测试技术分别对BiF3/C和BiF3/Ag的物理性能和电化学性能进行了研究。测试结果表明两种材料的物理性能和电化学性能与BiF3相比,均得到明显的改善,且BiF3/Ag复合材料的电化学性能优于BiF3/C复合材料,两种材料在放电截止电压为1.0 V、0.1C放电倍率的条件下,放电比容量分别为259 mAh/g和267 mAh/g。（3）用液相沉淀法制备了BiO0.1F2.8,并在制备过程中加入活性炭,制备了含C 5wt.%的BiO0.1F2.8/C。用XRD、SEM、电化学测试技术对BiO0.1F2.8和BiO0.1F2.8/C的物理性能和电化学性能进行了研究。研究结果表明,BiO0.1F2.8和BiO0.1F2.8/C的首次放电容量分别为259 mAh/g和268 mAh/g,均高于BiF3,且BiO0.1F2.8/C的容量高于BiO0.1F2.8。（4）用高温固相法合成了Bi2VO5F,并研究合成条件对其结构、形貌和电化学性能的影响,发现550°C下合成的产品的电化学性能最佳,以100 mA/g的恒电流在1.43.5 V之间充放电,首次放电平台为1.7 V,容量为222 mAh/g。经过15次循环,放电容量仍为105 mAh/g,放电电压平台为1.95 V。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池概述
• 1.1.1 锂离子电池的工作原理
• 1.1.2 锂离子电池的主要特点与应用
• 1.1.3 锂离子电池研究现状及发展前景
• 1.2 锂离子电池正极材料研究进展
• 1.2.1 过渡金属氧化物
• 1.2.2 聚阴离子型正极材料
• 1.3 金属氟化物正极材料的研究进展
• 1.3.1 基本原理
• 1.3.2 金属氟化物的可逆化学转换反应
• 1.4 本论文研究的意义及主要研究内容
• 1.4.1 课题意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 实验及仪器方法
• 2.1 实验流程
• 2.2 实验主要试剂和仪器
• 2.2.1 主要实验仪器
• 2.2.2 主要实验药品
• 2.3 电极活性物质的制备
• 3 的制备'>2.3.1 BiF₃的制备
• 3/C 复合材料的制备'>2.3.2 BiF₃/C 复合材料的制备
• 3/Ag 复合材料的制备'>2.3.3 BiF₃/Ag 复合材料的制备
• 0.1F_2.8 的制备、改性'>2.3.4 BiO_0.1F_2.8的制备、改性
• 2VO₅F 的制备'>2.3.5 Bi₂VO₅F 的制备
• 2.4 电池制作技术
• 2.4.1 电极的制备及预处理
• 2.4.2 电池的组装
• 2.5 分析测试方法和原理
• 2.5.1 充放电测试
• 2.5.2 交流阻抗法
• 2.5.3 材料的热分析
• 2.5.4 X-射线粉末晶体衍射（XRD）
• 2.5.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 3的制备、表征与电化学性能研究'>第3章 BIF₃的制备、表征与电化学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 材料制备与表征
• 3.2.2 电化学性能测试
• 3.3 X-射线衍射分析
• 3.4 样品的形貌分析
• 3.5 电化学性能分析
• 3.5.1 首次充放电性能测试
• 3.5.2 倍率性能测试
• 3.5.3 循环稳定性测试
• 3.5.4 交流阻抗测试
• 3.6 本章小结
• 3/C 与BIF₃/AG 的制备、表征与电化学性能研究'>第4章 BIF₃/C 与BIF₃/AG 的制备、表征与电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 材料制备与表征
• 4.2.2 电化学性能测试
• 4.3 X-射线衍射分析
• 4.4 样品的形貌分析
• 4.5 电化学性能分析
• 4.5.1 首次充放电性能
• 4.5.2 倍率性能测试
• 4.5.3 循环稳定性测试
• 4.5.4 交流阻抗测试
• 4.6 本章小结
• 0.1F_2.8与 BIO_0.1F_2.8/C 的制备、表征及电化学性能研究'>第5章 BIO_0.1F_2.8与 BIO_0.1F_2.8/C 的制备、表征及电化学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 材料制备与表征
• 5.2.2 电化学性能测试
• 5.3 X-射线衍射分析
• 5.4 样品的形貌分析
• 5.5 电化学性能研究
• 5.5.1 相同倍率首次放电性能比较
• 5.5.2 不同倍率首次放电性能比较
• 5.5.3 循环稳定性能测试
• 5.5.4 交流阻抗测试
• 5.6 本章小结
• 2VO₅F 的合成及电化学性能研究'>第6章 BI₂VO₅F 的合成及电化学性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 材料制备与表征
• 6.2.2 电化学性能测试
• 6.3 前驱体TG/DTG 分析
• 6.4 X-射线衍射分析
• 6.5 样品的形貌分析
• 6.6 电化学性能分析
• 6.6.1 首次放电性能测试
• 6.6.2 倍率性能测试
• 6.6.3 交流阻抗测试
• 6.7 P550 电化学性能研究
• 6.7.1 循环稳定性能测试
• 6.7.2 交流阻抗测试
• 6.8 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间公开发表的论文