本发明专利技术提供了通过石墨或焦炭颗粒的直接氟化而获得的低氟化含碳材料。一组低氟化含碳材料具有平均化学组成ＣＦｘ，其中０．６３＜Ｘ≤ ０．９５，０．６６＜Ｘ≤０．９５或０．７＜Ｘ≤０．９５。低氟化含碳材料在相对高的放电率下具有优于商业化的ＣＦ的电化学性能。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳低氟化物的电化学 相关申请的相互参引本申请要求2006年6月6日提交的美国申请11/422， 564、 2007年 2月15日提交的美国申请ll/675，308和2007年2月15日提交的国际 申请PCT/US2007/62243的优先权。本申请还要求2006年2月21日 提交的美国临时申请No. 60/775， 110、 2006年2月22日提交的 60/775, 559，和2007年2月9日提交的授予Yazami等人的美国临时 申请"Coke Based Subfluorinated Carbon Fluorides (CFX) Cathodes in Lithium Batteries"的优先权，所述每一项申请的全部内容在此 通过引证的方式、以与本说明书公开内容不相抵触的程度纳入本说明 书。
技术介绍
本专利技术处于氟化含碳材料领域，特别是低氟化的石墨和焦炭颗粒。碳氟化物在商业上被用作锂原电池中的正极材料。对石墨进行的 氟化使得在碳层之间嵌入氟。已知Li/CFx电池体系在室温下并在 C/100的速率下(即每小时电池容量的1/100的电池电流)能够提供 最多至700 Wh/kg、 1000 Wh/l。(参见，例如Bruce, G. Development of a CFx D Cell'for Man Portable Applications, in Joint Service Power Expo. 2005; 和Gabano， J. P. ， ed. Lithium Batteries, by M. Fukuda & T. lijima. 1983, Academic Press: New York)。 这 些体系中的负极通常具有通常从CFn变化至CFu的碳-氟化学计量。 但是，已知该负极材料的放电率受限制，并且通常需要电流低于C/50 (每1小时的电池容量的1/50的电池电流)以避免电池极化和大的 容量损失。CFx的最高达10150hm. cm的高电阻率是所观测到的放电率 受限的一个潜在原因，因为负极厚度和性能之间具有强的相关性；较 厚的负极更易于速率受限。(参见，例如V.N. Mittkin, J. Structural Chemistry, 2003，第44巻，82-115,翻译自ZhurnalStruct画i Khimii, 2003，第44巻，99-138 )。氟化碳的其他工业应用包括用作固体润滑剂或用作活性极大的 分子氧化剂例如BrFs和C1F3的贮存器。在锂/CFx电池中，电池总放电反应-由Wittingham (1975)Electrochem. Soc. 122:526首次提出-可通过反应式(1)表达:<formula>formula see original document page 5</formula>(1)因此，以mAh .g—i表示的理论放电比容量Qth通过方程(2)给出其中F为法拉第常数并且3. 6为单位转换常数。 因此具有不同化学计量的(CFxh材料的理论容量如下 X = 0.25， Qft = 400 mAh . g-1: X = 0.33. Qfh=484 mAh . g>1; X = 0.50, Qth=623 mAh g-1; x - 0.66,Qfh=721 mAh . g-1 ;并且x = | .00,Qth = 865 mAh 由于石墨化程度或碳材料的类型，碳同素异形体与氟气的反应性 大不相同(HamwiA. etal.; /.户力7义C力e迈.5W/化1996， 57(6-8)， 677-688 )。 一般而言，石墨化程度越高，反应温度越高。碳氟化物 已在氟的存在下或氟与惰性气体的混合物的存在下通过直接氟化而 获得。当用石墨作起始原料时，在300"C以下观察不到显著的氟化作 用。从350至640X:,形成主要不同在于晶体结构和组分的两种石墨 氟化物聚(一氟化二碳)(C2Fh和聚(一氟化碳)(<formula>formula see original document page 5</formula>在两种化合物中，碳 原子进行sps杂化，碳六边形具有从平面构型到"椅状"或"船状，， 构型的变形。聚(一氟化二碳)在 350'C获得并且具有一个特征结构， 其冲两个相邻的氟层被两个通过强共价的C-C键键合的碳层沿六方 点格的c-轴分开(阶段2)。另一方面，在 600'C获得的聚(一氟化碳)具有其中在两个相邻的氟层之间只有一个碳层的结构(阶段l)。 在3 5 0和6 00 X:之间获得的石墨氟化物具有介于(C2F) n和(CF) n之间的 中间组成并且由所述两相的混合物组成(Kita， 1979，出处同上)。阶段S表示分开两个连续氟层的碳层的数目。因此阶段1的化合物具有铺层序列FCF/FCF……，并且阶段2的化合物具有序列 FCCF/FCCF……。已知聚(一氟化二碳)和聚(一氟化碳)具有相对 较差的导电性。授予Watanabe等人的美国专利3， 536， 532记载了一种包括具有 作为主要活性材料的由式(CFx) n表示的晶状氟化碳的正极的原电池， 式中x不小于0. 5并且不大于1。如所述的，通过将反应器加热至所 需温度然后引入氟而进行碳的氟化。授予Watanabe等人的美国专利 3， 700， 502记载了一种包括具有作为活性材料的由式(CF,)n表示的无 定形的或部分无定形的固态氟化碳的正极的电池，式中x在从大于0 至1的范围内。授予Watanabe等人的美国专利4， 247， 608记载了 一 种包括具有作为主要活性材料的由式(C2F)n表示的聚一氟化二碳的正 极的电解电池，式中n为一个整数。Lam和Yazami ( Lam， P. etal.， 2006， J. Power Sources, 153, 354-359 )给出了其中0. 33<x<0. 63的低氟化石墨氟化物(CFx)。的结 果。碳-氟嵌入化合物也已通过将能够起氟化催化剂作用的其他化合 物加入气体混合物而获得，所述其他化合物例如HF或其他氟化物。 这些方法可使得氟化在较低温度下进行。这些方法除能制备(C2F) n和 (CF)n外，也还能制备嵌入化合物(N. Watanabe et al. ， "Graphite Fluorides", Elsevier, Amsterdam, 1988，第240-246页)。在HF 或金属氟化物的存在下制备的这些嵌入化合物当氟含量极低(F/C< 0.1)时具有离子特征，或者当氟含量较高(0. 2<F/C<0. 5)时具有离 子-共价(iono-covalent)特征。无论如何，通过能谱分析(ESCA ) 测量的结合能给出了对于Fn轨迹(line)的最重要峰的小于687eV 的数值和对于Cls轨迹的最重要峰的小于285eV的数值(T. Naka j ima， Fluorine-carbon and Fluoride—carbon, Chemistry, Physics and Applications, Marcel Dekker 19本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种通过以下方法制备的低氟化含碳材料： ａ．提供一种选自石墨颗粒和焦炭颗粒的含碳材料； ｂ．使该含碳材料暴露于单质氟的流动气源； ｃ．将该含碳材料加热至选定的温度，该选定的温度对于石墨颗粒而言在３３０℃和６００℃之间并且对于焦炭颗粒而言在３００℃和５００℃之间；和 ｄ．将该碳材料在选定温度下保持一段时间，该时间足以获得一种具有其中０．６３＜ｘ≤０．９５的平均化学组成ＣＦ↓［ｘ］的低氟化含碳材料。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：R亚兹密，A哈姆威，
申请(专利权)人：加州理工学院，国家科研中心，布莱兹巴斯卡尔大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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