论文总字数：21587字

摘 要

当今世界能源的越发不充足阻碍了工业的发展，如何提高能源利用率，提高使用效率成为了当务之急。本课题研究在氯氧化铁电极材料中掺杂其他元素是否能有效改善电极的电化学性能，提高电池效能。课题运用传统煅烧方法制成Sn⁴ /FeOCl电极材料，使用多种材料现代测试表征方法分析了Sn⁴ /FeOCl的微观结构和性质。XRD结果表明：Sn⁴ /FeOCl的所有衍射峰都比FeOCl的衍射峰移动到了更小的角度，表明Sn元素可以进入FeOCl晶格内部。掺杂可以使材料层间距增大，Sn⁴ /FeOCl中Fe-Cl间的相互作用降低了。氯离子可以更轻易的嵌入和脱出。使电化学反应的发生更加容易。同时掺杂可使正极材料结构更加稳定，在反应中不会轻易坍塌。对Sn⁴ /FeOCl电极材料的电化学性能测试采取类比法通过对Sn⁴ /Li₄Ti₅O₁₂和FeOCl/CMK-3电极材料进行分析。再通过多种电化学测试等分析Sn⁴ /Li₄Ti₅O₁₂和FeOCl/CMK-3 电极材料的电化学性能。从上述两种材料的研究中可以预见，适量Sn的掺杂可使材料的放电容量得以提高，也能够改善电池的循环能力，增强电极材料的电化学性能。Sn元素的掺杂对FeOCl电极材料的反应会起到积极地促进作用。

关键词：元素掺杂；Sn⁴ /FeOCl；电化学性能，复合电极材料

Study On Element Doping and Chlorine Storage Performance Of Chloride Oxide Electrode Materials

Abstract

Nowadays, energy shortages hinder the development of industry. So how to increase energy utilization has become a top priority. This study investigates whether doping other elements in iron oxychloride electrode materials can effectively improve the electrochemical performance of the electrode and improve the battery performance.Sn⁴ /FeOCl electrode materials were prepared by traditional methods and analyzed the structural properties by X-ray diffraction, SEM, TEM and other Analytical methods. The results of XRD illustrate that all diffraction peaks of Sn⁴ /FeOCl move to a smaller angle than the diffraction peaks of FeOCl, indicating that the Sn element can enter the FeOCl lattice. Doping can increase the material layer spacing, and the interaction between Fe-Cl in Sn⁴ /FeOCl is reduced. Chloride ions can be inserted and extracted more easily, which make the electrochemical reaction easier. At the same time, doping can make the structure of Sn⁴ /FeOCl more stable and will not easily collapse during the reaction. Due to the epidemic situation, the electrochemical performance of Sn⁴ /FeOCl electrode materials was not conducted, so the analogy method was adopted to analyze Sn⁴ /Li4Ti5O12 electrode materials and FeOCl/CMK-3 composite electrode materials. The electrochemical performance of the two electrode materials mentioned above was analyzed by cyclic voltammetry and different discharge cut-off voltage tests. It can be foreseen from the research of the above two materials that the proper amount of Sn doping can improve the discharge capacity of the material, and can also improve the cycle performance of the battery and the electrochemical performance of the electrode material. The doping of Sn element will actively promote the reaction of FeOCl electrode material.

Keywords: element doping; Sn⁴ /FeOCl; electrochemical performance; composite electrode material

目录

摘要 I

Abstract......................................................................................................................................................... II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2氯离子电池研究背景 2

1.3氯离子电池概况 3

1.4氯离子电池的正极材料 4

1.5氯离子电池的负极材料 5

1.6氯氧化铁正极的元素掺杂 6

1.7本课题研究内容及研究意义 7

第二章 实验部分 8

2.1实验试剂 8

2.2实验设备 8

2.3 材料的制备 9

2.4材料结构和微观形貌的表征方法 9

2.4.1X射线粉末衍射 9

2.4.2场发射扫描电子显微分析 10

2.4.3透射电子显微分析 10

2.4.4X 射线光电子能谱 10

2.4.5红外线光谱 10

2.5 电化学测试 10

2.5.1 循环伏安测试 10

2.5.2 恒电流充放电 10

2.5.3 电化学交流阻抗 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 材料表征 11

3.1.1 相结构 11

3.1.2微观形貌 12

3.2电化学特性 17

3.2.1 循环伏安特性 17

3.2.2恒流充放电特性 18

3.2.3电化学阻抗特性 19

第四章 总结与展望 20

4.1结论 22

4.2 展望 22

参考文献 24

第一章 绪论

1.1引言

逐渐增加的能源需求需要科研人员不断开寻找的新的拥有高能量密度的可充电电池体系，这种新型电池体系可以提供丰富的材料资源，提供高安全稳定性并具有环保功能。当今的中国已经是世界上研发新型二次电池的领先者。在电池产业的产能，产值遥遥领先，是全球最具有影响力的电池市场之一。众所周知，能源在国家的发展中占据着重要的一部分。而储存能源又是现代工业能源运用中重要的环节。作为重要的电化学储能体系，二次电池在生活的各个领域如电子产品的迭代更新，交通工具的升级影响着我们的生活。它更为工业领域如太阳能等产业的发展提供了强有力的支持。在之前，基于锂，钠，锰，锌等阳离子传输的电化学体系是二次电池的主要研发方向。其中，锂电池因为具有环保、高倍率性能和高能量密度（锂-空气二次电池为 12000 Wh/kg,锂-硫二次电池是锂-空气二次电池的两倍多）等的特点，被广泛的运用于各个领域。近到身边的电子产品如智能手机，远到大型公共场合的应急电源，电动工具，其中都有锂离子电池的身影。钠离子因为有着和锂离子相似的化学特性，它的电池的反应原理也和锂离子电池相近。为了得到性能更好，且更便宜的二次电池正负极材料和更卓越的电池体系。研究人员也在不断研究探索其他元素用于二次电池中的可能。

与基于阳离子传导的电池体系不同，基于阴离子传导的二次电池也同样被研究人员关注。2011年，Reddy等人首次实现了基于氟离子传输的电化学体系。这是因为F^-1电池的电极材料具有资源丰富等特点，且用金属氟化物制备的电极具有高理论容量和高体积能量密度。从此，研究阴离子传输电化学体系的时代被开启。氯和氟均为卤素元素，且都易与金属元素反应生成无机盐，因而氯离子有着和氟离子相似的化学特性，其作为电极材料也具有高理论容量和高体积能量密度。Zhao等人于2013年首次提出了氯离子电池（CIB）的概念，这种基于氯离子传输的电化学体新型系与其他体系相比存在一些优势，其发生的电化学反应可以带来更大的自由能的变化，因此也具有更高的电动势。它具有比Li 更高的理论能量密度高且电极材料选择较多。是具有潜力的新型二次电池。

1.2氯离子电池研究背景

电池是指利用物质的化学反应得到的能量通过转换获得电能的器件。化学电源是在化学反应中通过消耗化学物质，将化学能转变并输出电能的装置。二次电池（Rechargeable battery）又叫充电电池或者蓄电池，二次电池可以充电并循环使用。在环保方面，二次电池也远胜于一次电池。一次电池使用后就要废弃，而二次电池因其可以重复使用的性能，通常可以利用1000次以上。因为其可以重复利用 ,经济环保，二次电池优越性十分明显，成为受人们欢迎的电池。

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