一种三氟化铁复合材料及其制备方法、锂二次电池技术

本发明专利技术提供了一种三氟化铁复合材料，由三氟化铁及掺杂复合在三氟化铁上的多组分的导电聚合物组成。本发明专利技术还提供了一种三氟化铁复合材料的制备方法，包括以下步骤，将多组分的导电聚合物粉末和三氟化铁粉末混合研磨后，经热处理后得到三氟化铁复合材料。本发明专利技术采用导电聚合物掺杂复合在三氟化铁纳米颗粒上，得到导电聚合物/三氟化铁复合材料，能有效的提高三氟化铁复合材料的电化学性能，增强正极材料的稳定性、容量及倍率性能，同时还能较好的解决三氟化铁正极材料电导率低的问题；而且本发明专利技术提供的一步法操作简单、成本低，且反应过程中不需要在溶剂中进行，更适于工业化大生产应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种三氟化铁复合材料及其制备方法、锂二次电池。
技术介绍
随着人类社会的不断进步，人们对各种能源的需求量也大大增加，因此各种新兴能源的发展趋势也势不可挡，而锂二次电池就是其中耀眼的一员。小型电子产品、电动交通设备、储备电源、航空航天等领域的飞速发展都与锂二次电池的发展密切相关，而现阶段急需功率更高、寿命更长、能量密度更大、容量更高、绿色环保的锂二次电池做出突破。锂离子电池行业竞争日益激烈，其中所占市场比最重的便是正极材料，占30％～40％，直接决定了该电池的价格，因此对正极材料进行研究改进便是提高市场利益的关键。目前市面上广泛流通的是钴酸锂、三元化合物、磷酸铁锂等正极材料，它们因为好的循环稳定性、高倍率性能等广受重视，但是也存在工艺制备复杂、理论容量过低等缺陷，在需要大型能量电源的场合也易受到限制。而金属氟化物是一类有前景的锂电池正极材料。由于氟的电负性大，金属氟化物正极材料的工作电压远高于其他金属氧化物、金属硫化物等正极材料。而且金属氟化物作为锂二次电池的正极材料的贮能机理并不仅仅是锂离子嵌入/脱出机理，它还能通过可逆化学转换反应贮存能量。这种可逆的化学转换反应在氧化还原过程中能充分利用物质的各种氧化态，交换材料中所有的电子，其放出的容量远远高于传统概论上的锂离子嵌入/脱嵌反应。而在众多金属氟化物中，高理论比容量(712mAh/g)的三氟化铁正极材料逐渐进入了研究者的视线，尤其是它独特的多电子反应机制能极大的从中提升电池的能量密度，三氟化铁在用作正极材料时，充放电过程中存在两种不同的储锂机理，在2.5～4.5V电压区间内，一个锂离子在FeF3晶体结构内可逆的嵌入/脱出，伴随着Fe3+/Fe2+的转
变，是典型的嵌、脱锂机理，储锂容量为237mAh·g-1。在1.5～2.5V电压区间，三氟化铁可以继续与两个锂离子发生电化学还原反应，形成Fe纳米粒子与LiF，为可逆化学转换机理，储理容量为475m Ah·g-1。并且三氟化铁正极材料具有原料便宜、安全性好、可逆容量高等优点。虽然如此，三氟化铁作为正极材料仍存在电子电导率过低的问题。因此，如何得到一种具有更高电子电导率、更好的倍率性能、更高的容量的三氟化铁复合正极材料，以及更为简单制备工艺，已成为领域内具有前瞻性的研发型学者亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种三氟化铁复合材料及其制备方法、锂二次电池，本专利技术提供的三氟化铁复合材料，具有较高的电子电导率、更好的倍率性能、更高的容量及其它电化学性能，而且本专利技术提供的制备方法，工艺简单，条件温和，适用于大规模生产应用。本专利技术提供了一种三氟化铁复合材料，由三氟化铁及掺杂复合在三氟化铁上的多组分的导电聚合物组成。优选的，所述多组分的导电聚合物为聚苯胺、聚氨酯、聚吡咯和聚噻吩中的两种或多种。优选的，所述三氟化铁复合材料的粒度为80～150nm。本专利技术提供了一种三氟化铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：A)将多组分的导电聚合物粉末和三氟化铁粉末混合研磨后，得到三氟化铁复合材料。优选的，所述导电聚合物粉末由导电聚合物经超声粉碎后得到；所述导电聚合物粉末的粒度为60～120nm；所述三氟化铁粉末的粒度为0.5～1μm。优选的，所述三氟化铁包括无水三氟化铁和/或水合三氟化铁；所述多组分的导电聚合物总质量与三氟化铁的质量的比值为1：(8～20)；所述多组分的导电聚合物为聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯和聚氨酯中
的两种或多种，其中，所述多组分的导电聚合物为两种时，两种导电聚合物之间的质量比为(2～5)：1。优选的，所述步骤A)具体为：A1)将多组分的导电聚合物粉末和水合三氟化铁粉末混合后，研磨得到混合粉末；A2)将上述步骤得到的混合粉末经过热处理后，再研磨，得到三氟化铁复合材料；所述热处理的温度为150～350℃；所述热处理的时间为2～5h。优选的，所述研磨为球磨和/或砂磨；所述研磨的时间为10～20h；所述研磨后，还包括清洗和干燥步骤。优选的，所述三氟化铁粉末由以下方法制备：将铁源溶液、氟源溶液与表面活性剂混合反应，干燥后得到三氟化铁粉末。本专利技术还提供了一种锂二次电池，所述锂二次电池的正极包括上述技术方案任意一项所述的三氟化铁复合材料或上述技术方案任意一项所制备的三氟化铁复合材料。本专利技术提供了一种三氟化铁复合材料，由三氟化铁及掺杂复合在三氟化铁上的多组分的导电聚合物组成。本专利技术还提供了一种三氟化铁复合材料的制备方法，包括以下步骤，将多组分的导电聚合物粉末和三氟化铁粉末混合研磨后，得到三氟化铁复合材料。与现有技术相比，本专利技术针对三氟化铁存在低电子电导率和低锂离子电导率等缺陷的问题，采用导电聚合物掺杂复合在三氟化铁纳米颗粒上，得到导电聚合物/三氟化铁复合材料，能有效的提升三氟化铁复合材料的电化学性能，增强正极材料的稳定性、容量以及倍率性能，同时还能较好的解决三氟化铁正极材料电导率低的问题。而且本专利技术提供的一步法操作简单、成本低，且反应过程中不需要在溶剂中进行，有效的解决的现有工艺的复杂操作，不适于工业化大生产的缺陷。实验结果表明，本专利技术制备的三氟化铁复合材料制备的锂二次电池，初始放电容量能达到218.5～228.7mAh/g，经100次充放电循环后，
放电容量仍能达到212～218.2mAh/g，充放电效率能稳定在89.6％～91.4％。附图说明图1为本专利技术制备的无水FeF3纳米材料和实施例1制备的FeF3·0.33H2O纳米材料的SEM图；图2为本专利技术实施例2制备的二组分掺杂的三氟化铁复合材料的SEM图；图3为本专利技术实施例2所制备的产品与三氟化铁掺碳相在0.1C倍率下的首次充放电曲线图；图4为本专利技术实施例2所制备的产品循环100次的放电容量、充电容量、充放电效率图；图5为本专利技术实施例3所制备的产品在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和0.1C充放电倍率下的倍率性能曲线图；图6为本专利技术实施例5制备的产品在0.5C下，经50次充放电循环后的效率性能图。具体实施方式为了进一步了解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点而不是对本专利技术专利要求的限制。本专利技术所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。本专利技术所有原料，对其纯度没有特别限制，本专利技术优选采用分析纯或锂离子电池领域使用的常规纯度。本专利技术提供了一种三氟化铁复合材料，由三氟化铁及掺杂复合在三氟化铁上的多组分的导电聚合物组成。本专利技术对所述三氟化铁复合材料的粒度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、复合情况以及产品性能进行选择，本专利技术为更好的提高三氟化铁复合材料的性能，所述三氟化铁复合材料的粒度优选为80～150nm，更优选为90～140nm，更优选为90～130nm，
最优选为90～120nm。本专利技术对所述多组分的导电聚合物没有特别限制，以本领域技术人员熟知的导电聚合物即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、复合情况以及产品性能进行选择，本专利技术所述多组分即多种，如两组分即两种。本专利技术所述多组分导电聚合物优选为聚苯胺(PANI)、聚氨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三氟化铁复合材料，其特征在于，由三氟化铁及掺杂复合在三氟化铁上的多组分的导电聚合物组成。

【技术特征摘要】
1.一种三氟化铁复合材料，其特征在于，由三氟化铁及掺杂复合在三氟化铁上的多组分的导电聚合物组成。2.根据权利要求1所述的三氟化铁复合材料，其特征在于，所述多组分的导电聚合物为聚苯胺、聚氨酯、聚吡咯和聚噻吩中的两种或多种。3.根据权利要求1所述的三氟化铁复合材料，其特征在于，所述三氟化铁复合材料的粒度为80～150nm。4.一种三氟化铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将多组分的导电聚合物粉末和三氟化铁粉末混合研磨后，得到三氟化铁复合材料。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电聚合物粉末由导电聚合物经超声粉碎后得到；所述导电聚合物粉末的粒度为60～120nm；所述三氟化铁粉末的粒度为0.5～1μm。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述三氟化铁包括无水三氟化铁和/或水合三氟化铁；所述多组分的导电聚合物总质量与三氟化铁的质量的比值为1：(8～20)；所述多组分的导电聚合物为聚苯胺、聚噻吩、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：许帅军，李军，黄思，李少芳，潘春阳，李雪峰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44