基于可控氟化碳纳米材料的高比能量锂储能电池的研究

高效储能技术应用的关键就是开发使用寿命长、容量大的高效率储能电池。利用具有特殊微观形貌、优异电性能和化学稳定性的氟化碳纳米体制作高比能量Li-CFx储能电池是重要的方法之一。通过气相与固相两种氟化方法可控制备具有不同氟碳比、C-F键种类和含量的氟化碳纳米管/氟化石墨烯；系统研究结构参数、工艺条件与碳纳米体氟化性质的影响规律，并用其制作具有高容量和高比能量的锂电池。重点研究氟化碳纳米体中的纳米管与石墨烯的结构参数、微观形貌，氟碳比、C-F键种类、内部电子输运、离子迁移途径以及电解液的动力学行为对锂电池电化学性能的调控规律，深入研究氟化碳材料的放电行为及规律，探索出储能电池在不同倍率下的容量特性及氟化碳材料的影响机制，优化电池的高倍率放电性能，为高比能量锂电池的制备提供实验基础和理论支持。

2012年1月-2015年12月，本项目研究按计划顺利进行，较好的完成了各年度的任务。通过制备碳纳米材料，包括碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯，并通过对其进行氟化改性，制备能够作为锂电池正极使用的高比能量新型正极材料。研究正极材料组成、制备工艺、微观结构的最优化调控及电解液的种类对新型正极材料的电化学性能以及在电解液中的动力学行为之间的影响规律，实现高性能锂原电池体系的创新。研究内容主要包括以下几个方面，气相法氟化纳米碳材料，对Li/CFx电池电极的微观结构及空间分布进行构建，对不同氟碳比以及不同尺寸形貌的碳纳米材料为正极的Li/CFx的电化学特性进行分析，确定不同氟碳比以及碳纳米材料结构参数对Li/CFx电池放电性能的影响。目前已经通过气相法均能够制备有效的制备得到氟化碳纳米材料，通过调整氟化的温度和时间能够有效地调控氟化碳纳米管的F/C以及C-F键的种类。已经成功的制备了微观形貌为多孔状的氟化多壁碳纳米管，其F/C位于0.8~1.1之间，C-F键的主要由共价键组成，氟化纳米碳材料的放电比容量大于800 mAh g-1，在2C的放电条件下比容量保持率大于80%，为进一步提高基于氟化碳纳米材料的储能体系提供了良好的理论支撑。