高表面能氟化层提高锂金属负极稳定性的研究

随着人们日益增长的对高性能可充电电池的迫切需求,需要寻找并开发新的技术来解决锂金属电极稳定性不足的问题。该研究开发了一种简单的表面氟化工艺,通过利用氟化物[双(2-甲氧基乙基)胺]三氟化硫作为前驱体,在锂金属表面形成均匀和致密的LiF层。结晶性LiF层提供了必要的化学稳定性和机械强度,减少了锂金属与碳酸盐电解质的腐蚀反应,同时LiF/Li界面的高表面能可以促进锂离子快速且均匀地运输并抑制锂枝晶的生长,使得被保护的锂金属电极(LiF@Li)可以稳定循环900h,极大提升了LiF@Li||LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)全电池的循环性能和库伦效率(200个周期后73.9%的容量保持率,平均库伦效率为99.75%)。

利用原位氟化保护层改善三维锡锂合金/碳纸负极贫电解液下性能

金属锂具有最高的理论比容量(3860 mAh·g^(−1))和最低的还原电势(−3.04 V),是新型高能量密度电池负极材料的最佳选择之一。然而由于金属锂负极表面自发生成的固态电解质界面(SEI)十分不稳定,导致锂枝晶的产生和电池容量快速衰减,严重限制了锂金属电池的商业化应用。因此,本工作利用碳酸双(2,2,2-三氟乙基)酯(DTFEC)添加剂在三维锡锂合金/碳纸负极(SnLi/Cp)表面原位构筑了高机械强度和离子穿透性的含氟化物(LiF和SnF2)保护层,有效地改善了锂负极的倍率性能和循环稳定性。结果显示,SnLi/Cp对称电池在8 mA·cm^(−2)的电流密度下经过100次循环后过电位仅为90 mV。当将电解液降低到12μL(1.5μL·(mAh)−1)时,在5 mA·cm^(−2)的电流密度下对称电池仍具有优异的稳定性;SnLi/Cp||NMC811电池在1C(1.5 mA·cm^(−2))条件下能稳定循环300圈以上,库伦效率高达98.1%。这种方法能够显著改善锂金属负极的循环稳定性,有助于实现高能量密度锂金属电池的实际应用。

氟硅烷修饰的纳米复合光固化涂层提升绝缘真空闪络特性

表面氟化被认为是提高绝缘真空沿面闪络电压的有效措施之一,然而由于材料表面形貌和元素的影响难以解耦,两者各自作用机制及抑制效果尚不清楚。为此通过在绝缘表面涂敷光固化涂层,利用涂层中氧化铝纳米片的排列堆积,构建不同粗糙度的表面形貌。进一步通过无机填料的表面氟硅烷修饰,利用固化过程的表面偏析现象在涂层表面引入氟代烃长链作为氟化层。通过闪络电压及表面电荷特性分析等表征手段,探究了表面形貌及元素组成对于介质表面耐电特性的影响。结果表明:氧化铝纳米片的排列堆积可改变表面形貌,增大粗糙度。颗粒表面偶联的氟碳链可在固化过程偏析,形成氟化层;在冲击电压作用下,粗糙的表面形貌是表面电荷积聚减少、闪络电压提高的主导因素;在高粗糙度条件下,氟化层的存在可以吸附更多能量较低的内二次电子,降低二次电子发射系数,进一步提高闪络电压。综合分析形貌及氟化层的影响后,提出了考虑体外真空侧二次电子倍增过程与体内电子输运的理论模型,该模型与表面电荷积聚特性具有良好的一致性。

氟化温度对双向拉伸聚丙烯薄膜直流击穿性能的影响

为提升双向拉伸聚丙烯(bi-axially oriented polypropylene,BOPP)膜的介电性能,在25℃、45℃和60℃下对BOPP膜进行60 min的直接氟化处理。通过直流击穿实验研究试样的直流击穿性能,采用红外光谱、X射线光电子能谱和扫描电镜表征试样的表面物化特征。直流击穿实验表明:25℃、45℃和60℃氟化使BOPP膜的直流击穿场强相对氟化前分别提高了18.35%、22.75%和14.48%。表面物化特征分析表明:直接氟化改变了BOPP膜表层的化学组成和结构,形成了随着氟化温度升高而增厚的氟化层。另外,60℃较高温度氟化使试样表面出现了明显的微裂纹。击穿性能的提升主要是由于氟化引起的界面电场或电极电荷注入的降低及氟化层对电荷进入体内的阻挡,较高温度下氟化产生的试样表面微裂纹对氟化层的电荷阻挡效应有负面影响。

表层氟化聚乙烯中的空间电荷

本文试图简要地汇集近年来与近期我们所取得的关于表面氟化对聚乙烯(PE)空间电荷行为影响的研究结果,总结与探讨PE中的空间电荷积累与其氟化层特性和特征间的关联.这些结果显示在氟化反应气中没有氧存在时一个非常薄的氟化层能产生有效的电荷抑制,而当氧存在时为达到有效的电荷阻挡、需要一个具有高氟化度的非常厚的氟化层.在影响空间电荷的诸电学因素中,氟化层的电荷传导特性比其电荷俘获特性和介电常数或极性对阻止电荷注入材料内部更为重要,尽管氟化层的高介电常数和被俘获的电荷会降低界面电场、因此减少电荷的电极注入.氟化层的电荷传导特性密切关联于其自由体积,反应混合气中存在的氧对减小自由体积、因此对电荷的抑制具有强的负面影响.

表层氟化温度对聚乙烯中空间电荷积累的影响

在实验室反应釜中于不同的温度(35℃,55℃和70℃)下,以氟气体积浓度为12.5%的氟/氮混合气对热压制备的聚乙烯(PE)片状试样(厚约0.8 mm)进行了相同时间(2 h)的表层氟化改性.利用压力波法研究了氟化温度对PE中空间电荷积累的影响.结果显示,随着氟化温度的提高直流高压作用下的氟化试样中的空间电荷积累明显减少,这个70℃的氟化试样中儿乎没有空间电荷.衰减全反射红外分析表明,氟化引起了试样表层化学组成的本质变化及氟化度随氟化温度的明显提高.接触角测量与表面能计算间接地表明了这些氟化层有显著增大的介电常数.开路热刺激放电电流测量进一步揭示了这些氟化层不同的电荷捕获特性,及随着氟化温度的提高氟化层对化学杂质从半导性电极向PE扩散的增强的阻挡特性,因此表明氟化层中自由体积的相应减小.表层自由体积的减小对抑制空间电荷的积累,比介电常数的增大和电荷陷阱的变化起到更加显著的作用.