[发明专利]一种具有分级结构的铁基氟化物纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有分级结构的铁基氟化物纳米材料及其制备方法和应用，属于能源材料技术领域。

背景技术

随着经济的快速发展，能源消耗日益加剧，由此造成的能源危机和环境污染，严重威胁着人类的生存，能源转型迫在眉睫，各种能量存储设备快速发展。其中锂离子电池由于其具有开路电压高，能量密度大，循环寿命长，无污染，无记忆效应等诸多优点吸引了大家的广泛关注，自从上个世纪九十年代索尼公司将锂离子电池商业化以来，便广泛应用在各种便携式移动工具、数码产品、人造卫星及航空航天等诸多领域中。但目前商业化的锂离子电池正极材料主要集中在层状化合物的嵌锂机制，因此容量密度有限，如目前被认为最有商业应用前途的正极材料LiFePO₄，理论容量密度为170mAh·g^-1。因此，开发具有高能量密度的正极材料对提高锂离子电池的能量密度具有重要的意义。

铁基氟化物材料作为锂离子电池的正极材料，由于其具有很高的电压，远高于LiFePO₄的理论容量密度以及成本较低等优点，近年来获得了相关领域研究人员的高度关注。该种材料的主要特点就在于氟离子具有很高的离子性，因此其电动势高达2.7V左右，又由于氟离子质量较轻，因此以FeF₃为例，当发生一个电子转移时，其理论容量密度为237mAh·g^-1，当发生三个电子转移时，其理论容量密度高达712mAh·g^-1。但是由于材料制备中需要使用具有很高毒性的和对环境污染严重的氟源，如HF等，给该种材料的纳米结构的化学合成提出了很大的挑战。已经报道的制备纳米结构铁基氟化物的方法主要有机械粉碎商业FeF3材料，如高能球磨，激光脉冲沉积制备铁基氟化物薄膜法以及以HF为氟源在碳纳米管上面生长铁基氟化物纳米花的方法。高能球磨法制备的材料形貌不容易控制，激光脉冲沉积法成本较高，操作复杂，而以HF为氟源的化学合成方法毒性较大且环境污染严重，都不利于该种材料的大规模生成以及实际应用。

Jacob等人最先用含氟的离子液体1-丁基-4-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄）作为氟源，采用微波辅助法成功合成了FeF₂纳米棒和纳米颗粒，最近Li等人同样采用含氟的离子液体1-丁基-4-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄）作为氟源，采用非水相析出方法分别在50℃和0℃制备出了介孔结构的FeF₃·0.33H₂O材料及非晶的FeF₃纳米片，并测试了其锂离子电池正极性能获得了较好的结果。但由于上述几种铁基氟化物材料的纳米结构的形貌不够均匀，因此，该种材料的电化学性能还有很大的提升空间。为此，采用简单的制备方法制备具有均一形貌的纳米结构的铁基氟化物纳米材料对提高锂离子电池正极性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明旨在提供一种具有分级结构的铁基氟化物纳米材料及其制备方法和作为锂离子电池正极材料的应用，以提高锂离子电池的性能。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有分级结构的铁基氟化物纳米材料，其特征在于，所述材料的尺寸为10～1000nm，其物相组成为至少一种铁基氟化物，其组装单元为尺寸在1～100nm的纳米线、纳米球、纳米棒、纳米正多面体及纳米颗粒中的至少一种。

作为优选方案，所述的铁基氟化物选自FeF₃·H₂O、Fe_1.9F_4.75·0.95H₂O、FeF₃、FeF₃·3H₂O及FeF₂中的至少一种。

本发明所述的铁基氟化物纳米材料的制备方法，是通过采用含氟的离子液体作为氟源，无机铁盐作为铁源，利用溶剂热法，使含氟的离子液体释放出的氟离子与无机铁盐释放出的铁离子发生反应。

作为优选方案，所述制备方法包括如下操作：室温下，将无机铁盐溶解在有机溶剂中，然后加入含氟的离子液体，在室温下搅拌使混合均匀；再利用溶剂热法，使混合溶液在50～250℃下反应1～96小时；离心分离，收集固体，进行洗涤、干燥。

所述的无机铁盐可选用六水三氯化铁、九水硝酸铁、七水硫酸亚铁或其它可以溶解在所使用溶剂中的含有结晶水的无机铁盐。