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 氟化碳(CFx)材料因具有獨(dú)特的物理、化學(xué)特性，而成為現(xiàn)今國(guó)際上高科技、高性能、高效益的新型碳基材料研究熱點(diǎn)之一。氟化碳材料在眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，比如高能鋰原電池正極、固體潤(rùn)滑劑以及核反應(yīng)堆中子減速劑等，其中高能鋰電池正極材料是目前需求量最大的領(lǐng)域。而鋰原電池已成為需要長(zhǎng)期耐用、高容量能源產(chǎn)品(如人造心臟起搏器、射頻識(shí)別設(shè)備、遠(yuǎn)程無鑰匙系統(tǒng)和便攜式儀器)的主要電源。

此外，當(dāng)可充電鋰離子電池的電量不足時(shí)，它們可以作為可充電鋰離子電池的補(bǔ)充能源。鋰-氟化碳（Li-CFx）電池可制成高能量密度、高能輸出功率、長(zhǎng)儲(chǔ)存周期、高安全性能的新型電池。其具有比能量大、使用溫度范圍寬（-40℃-80℃）、自放電率小、工作電壓平穩(wěn)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使其成為儲(chǔ)能電池的一種重要的正極材料。然而高的氟化度與C-F鍵的電化學(xué)活性之間的不兼容性限制了氟化碳正極材料能量密度的進(jìn)一步提高。

近日，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院封偉教授團(tuán)隊(duì)(FOCC實(shí)驗(yàn)室)通過以生物質(zhì)碳為原始材料經(jīng)低溫氟化制備而成的鋰/氟化碳電池正極材料。相比傳統(tǒng)碳質(zhì)材料與特定的晶格常數(shù)作為起始物料，本文采用非晶態(tài)煅燒澳洲堅(jiān)果殼作為起始物料和使用純F2氣體在低溫下氟化制備了一系列的氟化碳材料(縮寫為F-cMNS)。制備的F-cMNS具有高的比容量和高的放電電壓，最大能量密度為2585 Wh kg -1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工業(yè)氟化石墨和其他氟化納米結(jié)構(gòu)碳。

隨后對(duì)該材料進(jìn)行了軟包電池實(shí)效驗(yàn)證，該軟包電池具有很好的電化學(xué)性能。與昂貴的低產(chǎn)量納米碳不同，澳洲堅(jiān)果殼的可獲得性和低成本支持了F-cMNS的規(guī)模化生產(chǎn)。因此，F(xiàn)-cMNS具有替代工業(yè)氟化石墨的潛力，并可能促進(jìn)高性能鋰原電池的發(fā)展。該技術(shù)已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利（專利號(hào)：201811026672.4）。

 

 

 

圖1 (a,e) F-cMNS-220, (b,f) F-cMNS-250, (c,g)F-cMNS-280, and (d,h) F-cMNS-300的掃描電鏡和透射電鏡圖

 

 

 

圖2 F-cMNS在10 mA g−1放電條件下的電化學(xué)性能

 

 

 

圖3 以F-cMNS-280為正極材料制備的軟包電池在0.01C放電條件下的電化學(xué)性能。圖中為容量為1Ah的Li/CFx軟包電池的數(shù)碼照片。

相關(guān)研究成果以Ultrahigh-energy-density fluorinated calcinatedmacadamia nut shell cathode for lithium/ fluorinated carbon batteries為題已在線發(fā)表在Carbon雜志上（DOI：10.1016/j.carbon.2019.07.065），第一作者為博士研究生彭聰，封偉教授和李瑀博士為該文的共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。