[发明专利]一种超高比能量氟化软碳的制备方法及锂一次电池应用

说明书

本发明介绍了一种超高比能量氟化软碳制备方法，并将其应用在锂一次电池中。本发明通过在高温退火调控软碳，达到调节软碳结晶度和界面的目的；并通过精准氟化手段实现超高比容量的氟化软碳的制备。退火处理的软碳，能够拥有更加丰富的界面，且能够达到调节软碳结晶度的目的，能够在氟化时形成更多的C‑F₂键，再通过精准氟化后，将其作为锂一次电池正极材料，能在低倍率放电下释放出更多能量。在0.01C下拥有着925mAh/g和2319.7Wh/kg的超高比容量和能量密度。因此，本发明通过退火的方法，达到调控软碳结晶度和界面的目的，为制备长续航的超高比能量锂/氟化碳一次电池正极材料奠定了基础。

技术领域

本发明属于新材料、功能性材料技术领域，具体涉及一种超高比能量氟化软碳的制备方法，并以制备得到的氟化碳材料作为锂/氟化碳电池的正极材料，得到超高比能量的锂一次电池。

背景技术

锂/氟化碳电池因其具有超高的理论能量密度(2180Wh/kg)，而备受学界关注。此外，锂/氟化碳电池还有着自放电率低、工作温度范围宽、放电平台稳定等优点，在不可拆卸的特种设备、医疗设备器件以及民用小型仪器等方面有着广泛应用。氟化碳(CF_x)作为锂/氟化碳电池中的关键材料，对锂/氟化碳电池的电化学性能有着极大的影响。CF_x中的x表示F和C的原子配比，代表CFx材料的氟化程度，取决于氟化的方式以及氟化的条件(如氟化温度、氟化时间等)。当x＝1是，Li/CF_x电池的理论比容量为865mAh/g。由于F的超强电负性，使得F元素在与C元素成键时，电子密度会集中F元素周围，导致CF_x有着很强的极性，这也是CF_x的本征导电性低的根本原因。面对应用领域的迭代升级，发展出与之相匹配的超高比能量的氟化碳材料是十分必要的。这个问题的解决也需要通过碳源和氟化方式出发，例如中国专利CN202111149980.8，制备了一种具有多层的复合结构的氟化碳材料，提升了电池的性能。

发明内容

本发明目的在于，针对背景技术存在的问题，提供了一种超高比能量氟化软碳的制备方法，并将其应用于锂一次电池中。本发明利用高温退火处理软碳，调控软碳的结晶度和界面，能够在精准氟化过程中形成更过有利于低倍率放电的C-F₂键，制备得到超高比能量氟化软碳，将这种氟化碳材料应用在锂一次电池中，能够为特种设备或是医疗器械等提高超长的续航时间。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种超高比能量氟化软碳的制备方法及锂一次电池应用，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、软碳高温退火调控精细结构。将软碳装在石墨罐中，放置在高温碳管炉中，将炉子空气排尽，并向炉内通入保护气体，调节气体流量，保证高温碳管炉出气口气体均匀连续。设置高温碳管炉程序升温至900～1800℃，并在退火温度下保温2～8h，待退火结束后，取出样品，得到不同温度和时间下退火的软碳。

步骤2、精准氟化。将退火处理后的软碳，放置在蒙奈尔合金容器中，设置程序升温至300～500℃，当达到氟化反应温度后，通入F₂气进行精准氟化，氟化反应时间为2～10h。降温后取出样品，得到具有超高比能量的氟化软碳。

进一步地，步骤1、2所述的惰性气体为氮气、氩气等，作为保护气体，从开始加热持续通入到反应结束冷却至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种超高比能量氟化软碳制备方法，并将其应用于锂一次电池中。本发明通过退火处理软碳，达到调控软碳结晶度和界面的目的，使得其在精准氟化过程中，能够形成更多有利于低倍率放电的C-F2键，在实际应用过程中，使用密度大的软碳也能够增加实效电池的体积/质量能量密度，为特种设备或医疗器械提供超长续航的能量供给。因此，本发明通过可控的高温退火处理，达到对软碳的结晶度和界面调控目的，本发明中所用的工艺方法简单，为大批量实效电池氟化碳正极材料的生产制备奠定了重要的应用基础。