[发明专利]一种柔性自支撑FeF3

说明书

本发明涉及锂离子电池正极材料的技术领域，尤其涉及一种柔性自支撑FeF₃/C‑石墨烯复合膜正极材料的制备方法。制备方法包括：第一步、氧化石墨烯水溶液的制备，第二步、亲水性Fe₂O₃的制备，第三步、柔性自支撑Fe₃O₄/C‑石墨烯复合膜的制备，第四步、柔性自支撑FeF₃/C‑石墨烯复合膜的制备。首先FeF₃材料的纳米化可以有效的减小活性材料在嵌脱锂过程中的绝对体积变化；其次，三维碳框架结构和石墨烯可以有效的提高FeF₃纳米粒子导电性，束缚其在充放电过程中的体积变化，促进了锂离子在电池循环过程中在三维方向上的迁移和扩散，在进一步克服FeF₃体积效应和极化现象，同时大幅度了提高了电池的循环性能。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料，尤其涉及一种柔性自支撑FeF₃/C-石墨烯复合膜正极材料的制备方法。

背景技术

为了应对环境污染和能源危机，欧美等西方发达国家将逐渐淘汰燃油车，以更为清洁的电动车或混合动力汽车取代。锂离子电池作为新能源汽车的“心脏”，其能量密度、循环寿命、安全性和成本对于新能源汽车的发展至关重要。正负极材料是锂离子电池最核心的组成部分，直接决定了锂离子电池的比能量、循环寿命、安全性能和成本。目前市场主流的LiFePO₄、LiMn₂O₄、LiCoO₂、LiNiO₂、LiNi_1-x-yCo_xAl_yO₂和LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂等传统正极材料存在理论容量过低、成本高、安全性差等难以突破的缺点，容量最高的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）仅有220 mAh/g^[12]，已经接近理论极限（275 mAh/g），难以进一步提升。而在负极材料方面，硅基材料的比容量已达到1000 mAh/g，超过了NCM811材料的4倍。因此，正极材料的低容量和高成本短板已成为限制新能源汽车产业发展的瓶颈。

三氟化铁（FeF₃）的理论比容量高达712 mAh/g，接近NCM811比容量的3倍。同时，FeF₃还具有氧化还原电位高、储量丰富、价格低廉、安全性高和环境友好等突出的优势，是获得高比能锂离子电池的首先正极材料。但是，FeF₃与传统正极材料的储锂机制不同，传统正极材料在充放电过程中发生脱嵌锂反应，结构变化小，可逆性好，性能优异。而FeF₃发生的是较为复杂的两步反应，第一步为脱嵌锂反应（Li⁺+e^-+FeF₃ LiFeF₃），结构不发生改变；第二步为转化反应（2Li⁺+2e^-+LiFeF₃ Fe+3LiF），放电过程中，Li⁺取代了FeF₃结构中的Fe³⁺生成LiF和单质Fe，FeF₃的晶型结构被完全破坏，LiF和Fe极易分离、扩散到电解液中，脱离基体结构，难以可逆转化为FeF₃，导致实际比容量远小于其理论值。此外，FeF₃还存在导电性差、滞后现象严重等缺点，严重阻碍了FeF₃的商业化应用。因此，设计并开发容量高、循环寿命长、倍率性能优异和成本低的新型FeF₃正极材料，对于克服锂离子电池的瓶颈，支撑我国新能源汽车产业快速发展至关重要。

发明内容