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物理化学专业论文.docx

湘潭大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 I I II II 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 1.4~3.5 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。 关键词： 锂二次电池；正极材料；金属氟化物；氟化铋；可逆化学转换反应 Abstract As the new cathode materials for lithium-ion batteries, metal fluorides based on the mechanism of reversible conversion reaction instead of the traditional intercalation/extraction mechanism of lithium-ion batteries have much higher specific energy than that of traditional intercalation/extraction cathode materials. So the studies of metal fluoride cathode material have been a hot topic