锂离子电池作为重要的化学电源,对电子产品的性能发挥起到重要支撑作用。目前以Li Fe O_4、Li Co O_2和Li Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2为主的传统正极材料其能量密度已经接近理论极限。因此,需要开发更高容量的锂电池正极材料,以满足更长续航电子设备及电动汽车的需求。由于氟具有高电负性,使得过渡金属氟化物具有相对高的电极电位,故可以作为正极材料使用;此外,因其充放电过程中可以实现多电子转移,可比传统插层型氧化物正极材料具有更高的理论比容量,从而使得他们有望成为下一代高能量密度电池的候选材料。但是,由于强的离子键特性,过渡金属氟化物的离子和电子电导率较低,并且具有较高的电压迟滞和较差的电化学反应动力学;电化学反应过程还存在严重的体积膨胀,从而影响了循环稳定性,降低了库伦效率。为了解决这些问题,本文主要通过构造不同结构的碳基过渡金属氟化物,研究电极材料结构与电化学性能关系,阐明其电化学稳定机制。主要研究内容如下:(1)一步氟化-刻蚀技术制碳基多孔Fe F_3复合正极材料。首先,以葡萄糖为碳源、六水合硝酸铁为铁源、二氧化硅气溶胶作为造孔剂,通过高温碳化的方法得到铁碳混合物中间体;接着,以聚四氟乙烯(PTFE)作为氟源,其高温分解产生的单体不仅能够将碳化后的铁碳复合物氟化,同时还可以将二氧化硅造孔剂刻蚀,在基体中留下丰富的孔隙,从而构造出具有多孔结构的碳基Fe F_3复合材料(p-Fe F_3@C)。该复合材料具有丰富的孔道结构,能够提供更多的离子传输路径,改善电池的倍率性能;同时高温氟化过程中原位生成的氟化碳能够与Fe F_3中的电子云发生重叠,改善电极材料的导电性。电化学性能测试证明了p-Fe F_3@C复合材料具有优异的电化学性能。p-Fe F_3@C电极在0.1 C的电流密度下(1 C=237 m A g~(-1))具有230 m Ah g~(-1)的高比容量;在1 C的电流密度下循环200圈后容量保持率为92.5%。对循环后电极表面组成进行分析,发现该结构能够诱导生成均匀Lorlatinib作用、薄和致密的富含Li_2CO_3/Li F的正极-电解质相界面(CEI),从而有利于稳定化学反应界面,提升电池循环稳定性。此外,与预锂化石墨负极组装成锂离子全电池也表现出优异的电化学性能。(2)基于普鲁士蓝类似物构造具有立方结构碳笼限域Ni F_2-Fe F_2的复合材料用于锂金属全电池。以Ni-Fe普鲁士蓝类似物为前驱体,二氧化硅作为结构限域剂并进行聚多巴胺包覆,PTFE作为氟源进行氟化和刻蚀处理,制备出一种具有立方结构碳笼限域Ni F_2-Fe F_2的双金属氟化物无锂正极材料(C@Ni F_2-Fe F_2)。具有空心结构的碳笼不仅可以改善材料导电性,而且可以有效缓解内部活性物质的体积膨胀,从而进一步提升金属氟化物的电化学性能。半电池测试结果表明:C@Ni F_2-Fe F_2无锂正极材料在0.1 C的电流密度下(1 C=560.8 m A g~(-1))具有490 m Ah g~(-1)的高比容量;在1 C的电流密度下,经过1000次循环后仍具有320 m Ah g~(-1)的比容量。在负极侧,基于该碳笼限域结构,过渡金属氟化物可以作为亲锂材料,Dinaciclib说明书诱导金属锂优先沉积并封装于碳笼内部,同时过渡金属氟化物与锂反应生成的Li F可以提升固态电解质界面膜(SEI)的稳定性,故有利于抑制锂金属体积膨胀和枝晶生长,实现锂金属负极的稳定沉积剥离。电化学性能测试结果表明:Li||Cu/C@Ni F_2-Fe F_2半电池在电流密度为0.2 m A cm~(-2)和面容量为0.2 m Ah cm~(-2)的条件下,可以稳定循环500次;组装的C@Ni F_2-FePersonality pathology F_2@Li||C@Ni F_2-Fe F_2@Li对称电池在电流密度为0.5 m A cm~(-2)和面容量为0.5 m Ah cm~(-2)的条件下可以稳定循环1200 h,且过电位为38 m V。将沉积3 m Ah后的C@Ni F_2-Fe F_2@Li复合锂金属负极与C@Ni F_2-Fe F_2正极组装成为锂金属全电池,在1 C电流密度下,初始比容量为598.5 m Ah g~(-1),并且循环至50圈后,比容量仍然为486.2 m Ah g~(-1),容量保持率为81.2%。(3)碳笼限域的多金属氟化物无锂正极材料。使用Fe\Co\Ni\Mg\Mn五种金属的盐溶液,通过共沉淀法制备出了含五种金属元素的球状高熵普鲁士蓝类似物(HE-PBA);随后通过Si O_2表面修饰和PTFE刻蚀的方法,构建出一种碳笼限域多金属氟化物的锂离子电池转化型正极复合材料(C/HE-PBA-F)。碳基球状外壳不仅能够将多金属氟化物限制在碳笼内部,还增强了金属氟化物的导电性;同时,不同金属元素间的协同作用既能提升电极的比容量,又可以增加多金属氟化物的结构稳定性。半电池测试结果显示,在0.05 A g~(-1)的电流大小下比容量为463.3 m Ah g~(-1);在0.2 A g~(-1)的电流大小下循环500次仍保持了96.8%的放电比容量,经过1300次的循环后放电比容量仍保持在252.3 m Ah g~(-1)。动力学性能测试结果表明,C/HE-PBA-F电极具有更高的锂离子扩散系数和反应活性。通过对循环后的电极形貌进行SEM分析,活性物质在经过200次循环后依旧保持了较为规则的球状结构。