特殊结构与纳米限域FeF3的可控合成及电化学性能研究

The technological improvements in rechargeable lithium-ion batteries with both high energy and high power densities have been greatly promoted. This project is focused on the improvement of electrochemical performance of FeF3, being a typical fluoride-based conversion electrode material. FeF3 nanostructures are synthesized via hydro/solvothermal methods with the assistance of surfactants. The high surface area and hierarchical nanostructures provide an easily accessed system which facilitates electron and lithium ion diffusion, improving the electrochemical performance of FeF3 materials between 2.0-4.5 V. The crystal habit-tuned FeF3 anomaterials are synthesized via suitable methods. The surface of FeF3 crystals was dominated by the planes, being active for Li+ deintercalation/intercalation. Therefore, the capacity and rate capability of FeF3 materials can be signficantly improved between 2.0-4.5 V. The FeF3-filled porous carbon, such as carbon nanotubes, carbon nanocages and porous carbon are synthesized via suitable methods. the electrochemical activity of FeF3 nanoparticles is significantly affected by the confinement inside porous structures. In addtion, the morphogly and size of FeF3 nanoparticles could be well maintained during the charge/discharge process. The influences of nanostructure, active planes and nano confinement effect on the electrochemical performance of FeF3 materials should be thoroughly investigated. The successful completion of this project opens new vistas for exploitation of conversion electrode materials with high specific capacity for rechargeable lithium-ion batteries.

开发具有高比容量电极材料是发展锂离子二次电池的首要任务。本项目将研究提高可逆化学转换机理正极材料FeF3的电化学性能。通过合成出合成具有特殊结构的FeF3纳米材料，提高比表面积，缩短电子与离子的扩散路径提高其在2.0-4.5 V电压区间内的可逆容量及倍率性能；实现FeF3晶体中晶面的可控生长，择优暴露出有利于锂离子扩散的晶面，提高其在2.0-4.5 V电压区间内的可逆容量及倍率性能；在多孔碳材料（碳纳米管、碳纳米笼及卷曲石墨烯等）的孔道中，合成出FeF3纳米粒子，形成纳米限域材料。提高材料导电性，通过纳米限域效应提高FeF3的电化学活性，抑制过渡金属粒子的融合生长。研究材料结构及晶体中晶面对电化学性能的影响，纳米限域效应与电化学性能之间的联系，优化合成出性能优异的FeF3正极材料。上述关键科学问题的研究，对改善FeF3电化学性能，发展高比容量的可逆化学转换机理电极材料具有重要的现实意义。

FeF3具有较高的理论储锂容量，一直被是高性能锂离子电池正极材料的研究热点之一。在FeF3合成过程中，常需要用到剧毒、挥发的HF作为氟源，并且通常得到无规则的粉体，使FeF3材料表现出较差的电化学性能。针对以上问题，本项目提出采用常见的无机铁盐及氟化物作为原料制备FeF3。通过对FeF3材料结构、组成的优化设计，来提高材料的电化学性能。将FeF3与三维多孔碳材料相结合，设计合成FeF3/三维多孔碳复合材料，通过协同作用提高FeF3材料的电化学性能。.本项目中，我们以常见的无机铁盐及氟化物为原料，通过溶剂热法以及微波法制备出一些列FeF3纳米材料。以三维石墨烯及碳纳米管为多孔碳骨架材料，通过溶剂热法合成FeF3/三维多孔碳复合材料。初步研究了所得材料的电化学性能。同时，还完成一些对本项目具有指导作用的材料的合成及性能研究。获得了如下创新性成果：（1）通过溶剂热法，以Fe(NO3)3及氟化物NH4HF2为原料制备出一系列FeF3纳米材料，通过调节反应时间、反应物用量及溶剂组成等实验条件实现对FeF3纳米材料结构、组成的调控。初步研究了FeF3材料结构、组成与电化学性能之间的关系；（2）通过微波法，实现在短时间内合成FeF3纳米材料，通过反应物用量的调节实现对材料纳米结构的调控，初步研究了FeF3材料尺寸与电化学性能之间的关系；（3）以三维石墨烯及碳纳米管为骨架材料，通过溶剂热方法，合成出一系列FeF3/三维多孔碳复合材料。研究了表面活性剂对复合材料分散度的影响。初步研究了碳材料种类、复合材料组成对复合材料电化学性能的影响；（4）制备出一系列三维多孔碳材料，Li4Ti5O12，TiO2，Li3V2(PO4)3以及C3N4等材料，研究了它们的电化学及光催化性质，为FeF3及其复合材料的设计合成提供实验及理论基础。.本项目的成功实施：(1)对于建立直接合成大量的、低成本的FeF3纳米材料提供了新思路；(2)为合成结构、组成可控FeF3纳米材料提供了新的方向；(3)为FeF3/多孔碳复合材料的合成提供了一定的实验基础；(4)为高比容量FeF3正极材料的开发及应用提供了一定的实验基础。