本文關(guān)鍵詞：多電子正極材料氟化鐵能帶、結(jié)構(gòu)與合成方法的研究　出處：《北京理工大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著社會的發(fā)展,人類對能源供應(yīng)的數(shù)量和質(zhì)量有了越來越高的要求,且傳統(tǒng)化石能源的開發(fā)利用也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。隨著環(huán)境治理和能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推進(jìn),儲能設(shè)備,特別是鋰離子電池體系設(shè)備,將發(fā)揮越來越重要的作用。開發(fā)多電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)材料是突破鋰離子電池容量密度瓶頸的重要途徑。作為多電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)材料的代表,氟化鐵材料受到了眾多研究機構(gòu)的關(guān)注。但氟化鐵材料較差的導(dǎo)電性嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。一般來說,影響材料導(dǎo)電性的主要因素有帶隙寬度、晶體結(jié)構(gòu)、材料粒徑等方面。本文從以上幾個角度出發(fā),對氟化鐵材料的合成與改性進(jìn)行了一系列探究。首先,通過水熱法成功實現(xiàn)了對FeF3的Ti元素?fù)诫s,并運用第一性原理計算證明了Ti摻雜能夠有效減小帶隙寬度,提高材料導(dǎo)電性。而X射線衍射(XRD)分析表明Ti摻雜還會同時誘導(dǎo)晶體生長,造成微晶變大。電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn),能帶變化和微晶生長會同時影響電極材料的電化學(xué)性能,使容量、循環(huán)、擴散系數(shù)等各項性能呈現(xiàn)不同變化。由此提出Ti摻雜引起的協(xié)同-拮抗效應(yīng),以便更深入地深入理解陽離子摻雜的作用機理。其次,通過采用不同的煅燒溫度,成功制備了FeF3·0.33H2O和FeF3兩種晶型結(jié)構(gòu)。并通過對比實驗發(fā)現(xiàn)FeF3·0.33H2O相比FeF3具有更佳的電化學(xué)性能,從而證實了晶型對材料電化學(xué)性能的影響。從晶體結(jié)構(gòu)角度對此進(jìn)行分析得出:Fe-F八面體和結(jié)晶水會在FeF3·0.33H2O晶體中構(gòu)成隧道結(jié)構(gòu),從而促進(jìn)Li+的擴散和脫嵌。在此基礎(chǔ)上,通過調(diào)整煅燒步驟可以控制FeF3·0.33H2O中(220)和(002)晶面的生長,并進(jìn)一步影響材料性能。通過晶體結(jié)構(gòu)模擬發(fā)現(xiàn),(002)晶面生長可以完善Fe F3·0.33H2O中的隧道結(jié)構(gòu),使材料擁有更多的儲鋰位點,提高材料的比容量密度;(220)晶面的生長則能暴露更多的隧道截面,為Li+擴散提供更多選擇路徑并提高Li+擴散系數(shù)。相應(yīng)的充放電測試和GITT測試證實了上述結(jié)論。這也進(jìn)一步證明了隧道結(jié)構(gòu)在FeF3·0.33H2O中的作用。鑒于上述合成方法較低的產(chǎn)率,嘗試采用成本低、產(chǎn)率較高的溶膠凝膠法制備氟化鐵系電極材料。XRD測試和質(zhì)量計算表明前驅(qū)體為含有大量檸檬酸的Fe F3·0.33H2O。后續(xù)處理中發(fā)現(xiàn),在煅燒溫度選擇上,三價Fe離子的保護(hù)(需低溫)和檸檬酸的去除(需高溫)存在矛盾,且大量殘余的檸檬酸會顯著影響材料的比容量和循環(huán)性能。故溶膠凝膠法不適合制備氟化鐵系電極材料。以上所有合成方法均需要高能球磨來實現(xiàn)與SP的復(fù)合及材料的納米化。通過嘗試采用乙醇體系下的溶劑熱法一步制備FeF3·0.33H2O/SP納米復(fù)合材料,并獲得了成功。根據(jù)合成結(jié)果,分析了合成過程中的靜電吸附效應(yīng)和異相成核生長過程。此外,將該復(fù)合材料用于鋰離子電池正極可以提高氟化鐵發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)的電壓,幫助解決多電子材料轉(zhuǎn)化反應(yīng)容量的有效利用問題。但是,由于FeF3·0.33H2O的產(chǎn)率不足100%,且SP是形狀不規(guī)則的C顆粒,并非最佳的生長基底材料,該實驗還有很多值得改進(jìn)的地方。期待石墨烯或碳納米管等導(dǎo)電基底材料的應(yīng)用會取得更好的效果。
[Abstract]:With the development of the society , the quantity and quality of the energy supply have been more and more demanding , and the development and utilization of the traditional fossil energy has a serious impact on the ecological environment . and the application of conductive base material such as graphene or carbon nano tube is expected to achieve better effect .

【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM912;O611.4

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本文編號：1412712