一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池技术

本发明专利技术公开了一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池。所述氟元素掺杂改性方法为利用含有氟元素的金属化合物/有机化合物于惰性气氛的高温下与碳材料/含碳复合物材料分离放置加热，用于对碳材料/含碳复合物材料进行非原位氟元素掺杂。该方法具有工艺简单、拓展性强、可大规模生产的优点，同时可以对已有的碳材料/含碳材料进行一定程度的无损掺杂，保持其原有的物相及结构，具有更广泛的适用价值。此外，氟掺杂可以形成对微观电子结构调控，对材料的局域微观电子密度、储能活性位点、界面特性等进行优化，该方法可用于电极改性及隔膜修饰，提升其在金属离子电池中的性能表现。提升其在金属离子电池中的性能表现。提升其在金属离子电池中的性能表现。

【技术实现步骤摘要】
一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池


[0001]本专利技术属于电池领域，具体涉及一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池。

技术介绍

[0002]自商业化以来，锂离子电池(LIB)由于其便携性和高能量密度而在电子领域占据主导地位。然而，由于锂元素的高成本和低地球丰度，在可再生能源和智能电网的快速发展的趋势中，锂离子电池的发展受到了巨大的限制。因此，由于地球中Na元素的高丰度，钠离子电池(NIB)备受关注。然而，由于相对较高的电势，与LIB相比，NIB的能量密度也较低。钾离子电池(KIBs)与LIBs和NIBs有着相似的反应机制，同时K元素丰富高，因此也引起了研究人员的兴趣。此外，K/K
+
的氧化还原电位(
‑
2.936V vs.SHE)与Li/Li
+
相似(
‑
3.04V vs.SHE)与Na/Na
+
相比(
‑
2.714V vs.SHE)，KIB具有更高的能量密度。因此，NIB和KIB都被认为是大型储能系统中有前景的电池体系。此外，锌离子电池(ZIB)具有如低成本、高材料丰度和低可燃性的优点，同样是当前的研究热点之一。同时，近些年来，镁离子电池、钙离子电池、铝离子电池等新体系电池也受到了广泛的关注。
[0003]然而，锂/钠/钾/锌离子电池体系的发展都受到低能量密度问题、缺乏高容量和高稳定性电极的困扰。同时，由于Na
+
、K
+
和Zn
+
的大离子半径，电极材料在充放电过程中会发生很大的应变变化，导致材料中产生不可逆行为。因此，迫切需要设计具有高比容量和优异稳定性的合适的正极和负极材料。元素掺杂被广泛证明为提升电极材料性能的有效策略，其中富电子元素如N、O、S、P、F等可以提供多余的电子，有效调控表面偶极，使材料边缘位自由电子密度提升，进而调控电子传输动力学；此外，掺杂可以引入大量的缺陷，提升电极材料的润湿性，以及赝电容反应能力，进而提升材料性能；杂原子掺杂同样可以调节电极的界面组成，杂原子的存在使得电解液分解成固体电解质中间相界面膜(SEI)的过程受到一定的诱导作用，可对表面SEI膜的组成及结构进行有效调控。因此，杂原子掺杂是改善电极性能的有效手段。同时，当杂原子掺杂的策略用于隔膜修饰上时，同样会对如活性材料在电解液中的穿梭及金属负极表面枝晶的不可控生长等问题有积极的改善作用。
[0004]氟元素掺杂是备受关注的掺杂策略之一。然而，已报道的氟元素掺杂策略除了通常使用的HF、F2污染性有毒气体外，也有金属氟化物(如NaF)、NH4F、PTFE、PVDF等氟化剂跟材料混合在水热/溶剂热或者高温煅烧条件下氟化，混合氟化过程中氟化剂或其分解产物会对活性材料造成较强的腐蚀性，同时氟化剂的分解过程通常会有大量残留物，这造成氟化剂与活性材料的混合氟化过程不可避免地会对原始材料材料的形貌/物相造成较大的影响，无法保留对初始活性材料的设计形貌，因此对于活性材料的形貌/物相几乎“无损”的氟化过程的设计对于氟掺杂策略的广泛、拓展性应用有重要的意义。本专利技术提供了一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，设计利用含有氟元素的金属化合物/有机化合物于惰性气氛的高温下与碳材料/含碳复合物材料分离放置而非混合加热，用于对碳材料/含碳复合物材料进行非原位氟元素掺杂。可在保持碳材料/含碳复合物材料主要物相、形貌不变的情况下实现均相可控掺杂，进而形成对碳组成部分的微观电子结构调控，对材料的导电性、
储能活性位点、界面特性等进行优化，将材料用于金属离子电池的电极或隔膜修饰组分，提升金属离子电池性能，该方法具有简单、可规模化、成本低、环境友好、拓展性强的优点。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出了一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池。其目的在于通过简单、可规模化的氟元素掺杂方法对碳材料/含碳材料进行非原位氟元素掺杂，利用掺杂的氟元素提供的多余电子，调控材料边缘位自由电子密度，进而对电子传输动力学、缺陷浓度及界面SEI膜进行调控，当将其用于电极材料或隔膜修饰组分时，可提升电池体系的功率特性和稳定性，提升金属离子电池的性能。
[0006]实现本专利技术的技术方案是：一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：氟元素掺杂改性方法为利用含氟元素的金属化合物/有机化合物，将其在惰性气氛的高温下与碳材料/含碳复合物材料分离放置加热，对碳材料/含碳复合材料进行非原位氟元素掺杂，该方法具有可保持原有主要物相和微观形貌的特点。
[0007]所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：含氟元素的金属化合物/有机化合物与碳材料/含碳复合材料为分开放置而非混合放置。
[0008]所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：所述含氟元素的金属化合物/有机化合物包含SiF4、CF4、Na3AlF6、CaF2、AlF3、NaF、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚二氟氯乙烯等材料中的一种或几种。
[0009]所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：所述金属离子电池为锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池、钙离子电池等中的一种或几种的混合体系；
[0010]所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于，所述氟元素掺杂改性方法的实验方法如下：
[0011](1)将含氟元素的金属化合物/有机化合物与碳材料/含碳复合材料置于坩埚/瓷舟等容器内，并分开置于容器两端；
[0012](2)将步骤(1)盛有材料的容器于含惰性气氛的管式炉中煅烧后，得到氟元素掺杂的碳材料/含碳复合材料；
[0013]所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：所述步骤(1)中金属化合物/有机化合物与碳材料/含碳复合材料的质量比为1：1000至1000：1。
[0014]所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：所述步骤(2)在管式炉中煅烧的温度为200
‑
1200℃。
[0015]所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：所述步骤(2)在管式炉中煅烧的时间为0.5
‑
72h。
[0016]本专利技术的有益效果是：本专利技术公开的一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其中含有氟元素的金属化合物/有机化合物于惰性气氛的高温下与碳材料/含碳复合物材料分开放置加热，用于对碳材料/含碳复合物材料进行非原位均相可控氟元素掺杂。该方法具有工艺简单、可大规模生产的优点，同时可以对已有的碳材料/含碳材料进行一定程度的无损掺杂，保持其原有的物相及结构，具有更广泛的适用价值。氟元素掺杂可对碳组成部分的微观电子结构调控，形成对材料的导电性、储能活性位点、界面特性等进行优化，当将
其用于电极材料或隔膜修饰组分时，可以提升金属离子电池的性能表现。同时，该方法具有工艺简单、可规模化的特点，具有良好的应用前景。
附图说明
[0017]为了更清楚地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：氟元素掺杂改性方法为利用含氟元素的金属化合物/有机化合物，将其在惰性气氛的高温下与碳材料/含碳复合物材料分离放置加热，对碳材料/含碳复合材料进行非原位氟元素掺杂，该方法具有可保持原有主要物相和微观形貌的特点。2.根据权力要求1所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：含氟元素的金属化合物/有机化合物与碳材料/含碳复合材料为分开放置而非混合放置。3.根据权力要求1所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：所述含氟元素的金属化合物/有机化合物包含SiF4、CF4、Na3AlF6、CaF2、AlF3、NaF、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚二氟氯乙烯等材料中的一种或几种。4.根据权力要求1所述的氟元素掺杂改性方法用于金属离子电池，其特征在于：所述金属离子电池为锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池、钙离子电池等中的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈人杰，张喜雪，李丽，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：