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变废为宝!吃果仁剩下的坚果壳竟是氟化碳正极材料的起始物料

2019年8月5日 104

天津大学材料科学与工程学院封伟教授团队(FOCC实验室)通过以生物质碳为原始材料经低温氟化制备而成的锂/氟化碳电池正极材料。相比传统碳质材料与特定的晶格常数作为起始物料,本文采用非晶态煅烧澳洲坚果壳作为起始物料和使用纯F2气体在低温下氟化制备了一系列的氟化碳材料(缩写为F-cMNS)。制备的F-cMNS具有高的比容量和高的放电电压,最大能量密度为2585 Wh kg -1,远远大于工业氟化石墨和其他氟化纳米结构碳。

氟化碳(CFx)材料因具有独特的物理、化学特性,而成为现今国际上高科技、高性能、高效益的新型碳基材料研究热点之一。氟化碳材料在众多领域具有重要的应用价值,比如高能锂原电池正极、固体润滑剂以及核反应堆中子减速剂等,其中高能锂电池正极材料是目前需求量最大的领域。而锂原电池已成为需要长期耐用、高容量能源产品(如人造心脏起搏器、射频识别设备、远程无钥匙系统和便携式仪器)的主要电源。

此外,当可充电锂离子电池的电量不足时,它们可以作为可充电锂离子电池的补充能源。锂-氟化碳(Li-CFx)电池可制成高能量密度、高能输出功率、长储存周期、高安全性能的新型电池。其具有比能量大、使用温度范围宽(-40℃-80℃)、自放电率小、工作电压平稳等独特的优点,使其成为储能电池的一种重要的正极材料。然而高的氟化度与C-F键的电化学活性之间的不兼容性限制了氟化碳正极材料能量密度的进一步提高。

随后对该材料进行了软包电池实效验证,该软包电池具有很好的电化学性能。与昂贵的低产量纳米碳不同,澳洲坚果壳的可获得性和低成本支持了F-cMNS的规模化生产。因此,F-cMNS具有替代工业氟化石墨的潜力,并可能促进高性能锂原电池的发展。该技术已申请中国发明专利(专利号:201811026672.4)。

 

图1 (a,e) F-cMNS-220, (b,f) F-cMNS-250, (c,g)F-cMNS-280, and (d,h) F-cMNS-300的扫描电镜和透射电镜图

 

图2 F-cMNS在10 mA g−1放电条件下的电化学性能

 

图3 以F-cMNS-280为正极材料制备的软包电池在0.01C放电条件下的电化学性能。图中为容量为1Ah的Li/CFx软包电池的数码照片。

相关研究成果以Ultrahigh-energy-density fluorinated calcinatedmacadamia nut shell cathode for lithium/ fluorinated carbon batteries为题已在线发表在Carbon杂志上(DOI:10.1016/j.carbon.2019.07.065),第一作者为博士研究生彭聪,封伟教授和李瑀博士为该文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的经费支持。

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