一种氟化碳活性材料及锂氟化碳一次电池制造技术

本发明专利技术提供了一种氟化碳活性材料及锂氟化碳一次电池，所述氟化碳活性材料经复合气体精准氟化和表面改性处理后，生成氟碳原子摩尔比为

【技术实现步骤摘要】
一种氟化碳活性材料及锂氟化碳一次电池


[0001]本专利技术涉及锂氟化碳电池
，尤其是涉及一种高比能量的氟化碳活性材料及锂氟化碳一次电池
。

技术介绍

[0002]锂氟化碳
(Li/CFx)
电池是固体电极化学电源中比能量最高的电池体系，因其能量密度高
、
工作电压平稳
、
使用寿命长
、
安全可靠
、
工作温度范围宽等众多优势而备受关注
。
常规氟化碳材料的
F/C
极限值为1，理论比容量为
865mAh/g
，且难以充分发挥，所制备的锂氟化碳电池比能量通常低于
700Wh/kg。
[0003]为解决上述技术问题，中国专利
CN 109148850 A《
一种氟化石墨烯胶囊的制备方法及在锂一次电池中的应用
》
提供了一种氟化石墨烯胶囊的制备方法，利用含有大量缺陷的高曲率石墨烯胶囊三维网络结构，氟化获得了
F:C>1:1
的非整数比
CFx
材料，
x
＝1～2，同时利用石墨烯胶囊结构可以促进深度挂锂
(Li2F
+
)
的特性，氟化碳材料在纽扣实验电池中发挥
1303.4mAh/g
，
2547.05Wh/kg
的高比容量和比能量
。
但石墨烯胶囊为纳米尺寸，氟化过程难以精准调控氟含量和<br/>C
‑
F
键型，高氟化度的材料在放电过程中难以维持高电压平台，低电压段容量贡献大，因此比能量发挥率低，且纳米尺寸的材料振实密度太低
(
一般低于
0.1g/m3)
，很难在实效电池中实现更高的比能量
。
[0004]在
《Fluorinated graphite nanosheets for ultrahigh
‑
capacity lithiumprimary batteries》
一文中，作者将边缘缺陷和
‑
CF2、
‑
CF3全氟官能团活性位点引入石墨纳米微片
(NSs)
，实现了
F/C
＝
1.34
的高氟含量超薄微片材料，在电流密度为
10mA/g
下，氟化石墨纳米片比容量达到
921mAh/g
，所制备的一次电池在室温和
60℃
下分别获得了
1021.5Wh/kg
和
1116Wh/kg。
高氟化度的石墨纳米微片虽然克容量高
、
放电电压平稳，但是电压平台整体较低
(
约
2.5V)
，与其较差的电子和离子传导能力有关，电池反应动力学欠佳；石墨纳米微片的振实密度也较低
(
一般低于
0.3g/m3)
，材料比能量要想充分发挥需要较大量的电解液
。
[0005]由此可见，基于锂氟化碳电池体系，如何获得高比能量的氟化碳活性材料，如何制备更高比能量的电池，已成为当前研究的热点和难题
。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种高比能量的氟化碳活性材料
。
[0007]本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供应用上述高比能量氟化碳活性材料的锂氟化碳一次电池
。
[0008]本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种氟化碳活性材料，由结构特殊且资源丰富的碳源制备而成，经氟气和氮气的复合气体精准氟化和表面改性处理后，生成氟碳原子摩尔比为
1.3
‑
1.6、
振实密度
0.6
‑
1.2g/cm3，比表面积
300
‑
900m2/g
的高氟含量高振实密度氟化碳材料，材料内部同时包含
‑
CF、
‑
CF2、
‑
CF3三种基团，所述基团中，
‑
CF
基团的数量占比为
50
％
‑
77
％
、
‑
CF2基团的数量占比为
20
％
‑
47
％
、
‑
CF3基团的数量占比为3‑
30
％，所述碳源以生物质基碳材料为前驱体制备而成，所述碳源含有丰富的不饱和键
‑
C
＝
O、
‑
COH、
‑
CN
，碳源的晶体结构中碳层间距
D002
为
0.37
‑
0.385nm。
[0010]上述氟化碳活性材料中含有高比例
‑
CF2活性基团，克容量达
950
‑
1000mAh/g
，所述
‑
CF、
‑
CF2基团中半离子型
C
‑
F
键
(
键长范围为
1.39
埃
‑
1.43
埃
)
的摩尔数量占比为
30
％
‑
70
％，丰富的高电化学活性的半离子型
C
‑
F
键，使材料的放电平均电压达到
2.85V
以上，氟化碳材料比能量达到
2650Wh/kg
‑
3300Wh/kg。
[0011]优选的，上述氟化碳活性材料，所述比表面积为
400
‑
700m2/g。
[0012]优选的，上述氟化碳活性材料，其表面还含有一层均匀的包覆层，所述包覆层的质量占比为
0.5
‑5％，包覆层的组成成分为碳或氧化物
。
[0013]优选的，上述氟化碳活性材料，所述生物质基碳材料作为前驱体的制备过程包括碳化和活化两个主要阶段，其中，所述碳化过程包括热解碳化方式或水热碳化方式，所述活化过程包括物理活化
、
化学活化或物理
‑
化学活化方式
。
[0014]优选的，上述氟化碳活性材料，采用的氟化工艺为气相氟化法或气液相结合氟化法，氟源为氟气或氟原子，氟化温度范围为室温～
600℃。
[0015]优选的，上述氟化碳活性材料，所述氟化温度为
200
‑
400℃。
[0016]优选的，上述氟化碳活性材料，所述生物质基碳材料作为前驱体，采用一维纤维状碳原料
、
二维片状碳原料和三维多孔碳原料中的一种或多种
。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种氟化碳活性材料，其特征在于：氟碳原子摩尔比为
1.3
‑
1.6、
振实密度
0.6
‑
1.2g/cm3，比表面积
300
‑
900m2/g
的高氟含量高振实密度氟化碳材料，材料内部同时包含
‑
CF、
‑
CF2、
‑
CF3三种基团，所述基团中，
‑
CF
基团的数量占比为
50
％
‑
77
％
、
‑
CF2基团的数量占比为
20
％
‑
47
％
、
‑
CF3基团的数量占比为3‑
30
％
。2.
根据权利要求1所述的氟化碳活性材料，其特征在于：所述比表面积为
400
‑
700m2/g。3.
根据权利要求1所述的氟化碳活性材料，其特征在于：其表面还含有一层均匀的包覆层，所述包覆层的质量占比为
0.5
‑5％，包覆层的组成成分为碳或氧化物
。4.
应用权利要求1所述的氟化碳活性材料的锂氟化碳一次电池，其特征在于：所述电池由氟化碳正极
、
锂负极
、
隔膜
、
非水电解液
、
含胶极耳和外壳组成，比能量达到
1200Wh/kg
，所述氟化碳正极由所述氟化碳材料
、
导电剂
、
粘结剂和集流体组成，所述氟化碳材料中包含
‑
CF、
‑
CF2、
‑
CF3三种基团，氟碳原子比为
1.3
‑
1.6
，克容量为
950

【专利技术属性】
技术研发人员：阳晓霞，张冠军，白宝生，冯辉，陈欣，王伯良，
申请(专利权)人：天津蓝天特种电源科技股份公司，
类型：发明
国别省市：