Li/CF_(x)一次电池研究进展

锂/氟化碳(Li/CF_(x))一次电池是目前能量密度最高的化学电源,具有输出电压稳定、安全性好、使用温度范围宽和自放电率低等特点,在军事(单兵作战系统)、医疗(心脏起搏器)、太空探索(空间站)等关键领域具有无可替代的重要性。然而,氟化碳材料的电子导电性较差,很大程度地影响了电化学反应的电极过程动力学,导致Li/CF_(x)一次电池存在高倍率放电性能差、初始放电电压延迟严重、放电过程中发热量大等问题。本文通过对近期相关文献的探讨,首先综述了Li/CF_(x)一次电池在放电机理方面的研究进展,包括两相放电反应机理模型、生成石墨层间化合物中间相的放电反应机理模型、“核-壳”模型反应机理和边缘传播放电反应机理以及最近刚被提出的三步放电反应机理等。其次,重点分析了Li/CF_(x)一次电池面临问题的解决方法,包括氟化碳材料前驱体的选择、氟化方法的改进、复合材料的构建以及电解液的改性和优化方法。其中,氟化碳纳米管、氟化富勒烯、氟化石墨烯等新型氟化碳基材料的应用为氟化碳的发展提供了新的前景。在复合材料的构建策略上,导电聚合物、金属纳米颗粒、氧化物的加入可显著降低电压延迟时间和提升倍率性能。在电解液的调控策略上,氟离子结合剂的引入和氟化锂晶体生长动力学的计算,对于溶解氟化锂和控制氟化锂的生长具有重要作用,有望实现兼具高能量密度和高功率密度的宽温域Li/CF_(x)一次电池。

纳米V_(2)O_(5)包覆CF_(x)复合材料的制备及性能

通过简单易行的超声浸渍法和高温煅烧法,采用纳米五氧化二钒(V_(2)O_(5))颗粒包覆氟化碳(CF_(x))制备CF_(x)@Nano V_(2)O_(5)复合材料。对比CF_(x)@Nano V_(2)O_(5)复合材料与商用CF_(x)材料的形貌、结构和性能。经纳米V_(2)O_(5)颗粒包覆制备的CF_(x)@Nano V_(2)O_(5)复合材料具有层状表面形貌,振实密度更高。在0.2 C的放电倍率下,CF_(x)@V_(2)O_(5)复合材料的电压平台可达2.81 V;此外,在大电流放电时表现出明显的功率输出优势,在3.0 C倍率下的比容量较商用CF_(x)材料提升了16.68%。

X荧光光谱仪测试氟碳铝材有机涂层中氟含量的方法研究

建立了一种X荧光定量分析氟碳铝材有机涂层氟含量的测试方法,通过内标校正比对和分析曲线创建优化,完成了对氟碳铝材表面干膜氟含量的定量分析,此方法简便快速,重现性好,用于氟碳铝材行业分析有机涂层中氟含量,效果满意。

掺杂锰氧化物的聚乙烯醇基碳包覆复合材料的制备及界面改良优化机制

采用掺杂锰氧化物MnO_(x)的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)基碳包覆(CF_(0.79)@C-MnO_(x))对氟化碳(CF_(0.79))进行改性.为提升锂氟化碳电池倍率性能,进一步探讨碳化温度、氧化温度和包覆层厚度对制备的CF_(0.79)@C-MnO_(x)复合材料电化学性能的影响,以此优化氟化碳包覆层获得界面改良最佳优化机制.实验结果表明.优化碳化温度,可得到导电性最好的碳层;优化氧化温度,可得到结晶性好的锰氧化物;优化PVA和Mn(NO_(3))_(2)浓度来调控包覆层厚度,可进一步改善氟化碳的界面,促进锂离子扩散到氟化碳电极上.微观形貌表征及电化学性能分析均表明,CF_(0.79)@C-MnO_(x)-350℃氩气-400℃氧气-0.25 mol/L Mn(NO_(3))_(2)-0.25 mol/L PVA具有最佳的性能,在高的放电倍率下,无论在倍率性能还是电压平台,都优于原始氟化碳和其他掺杂MnO_(x)的PVA碳包覆复合材料.

碳化氟化石墨/碳纳米管/纤维素复合纸作为正极的高容量锂氟一次电池

利用多壁碳纳米管(MWCNTs)、纤维素(Cellulose fibers)和活性物质氟化石墨(CF1)复合制备成柔性纸,经碳化后,以此碳化CF1-MWCNTs-Cel复合纸作正极组装成锂氟一次电池。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、热重分析仪(TGA)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)进行结构和性能表征,通过恒流放电和电化学阻抗(EIS)测试电池的电化学性能。结果表明,在相同的放电倍率下,碳化CF1-MWCNTs-Cel复合纸能有效提高Li/CFx一次电池的放电容量和平台稳定性。在放电倍率为2C,碳化CF1-MWCNTs-Cel复合纸和CF1-Al电极作正极时,电池的放电比容量分别为440.4 mAh/g和321 mAh/g,相对于后者,前者对放电比容量的提升高达37%。碳化CF1-MWCNTs-Cel复合纸作电极展现出优异的电化学性能。

氟化非晶碳薄膜(a-C:F)的制备与表征

以C4F8和CH4为源气体,采用电子回旋共振等离子体化学汽相沉积(ECR-CVD)方法,在不同气体混合比条件下沉积了非晶氟化碳(a-C:F)薄膜低k层间介质。实验中薄膜的沉积速率可达220nm／min, 测得的介电常数为2．14-2．58。X光电子能谱表明,随着甲烷含量增大,薄膜中CF3,CF2结构含量减少而 CF和C*-CFx(x=1-3)交联结构增多:原子力显微镜表明,在采用C4F8为前驱气体时,高分子基团CxFy 在成膜时造成了粗糙不平、多孔渗水的薄膜表面形貌。结果表明,CF基因成分增加而CF2基团成分减小导致了薄膜电子极化增强,介电常数增大。

高电压氟化碳纳米球材料的制备及性能

从结构设计上提升氟化碳(CF_(x))材料的导电性。通过简单水热法设计合成CF_(x)前驱体材料,再经高温氟化,制备高电压CF_(x)纳米球材料。用SEM和热重分析(TG)对CF_(x)纳米球材料的形貌和热稳定性进行分析,并用恒流放电、功率放电和电化学阻抗等对电化学性能进行测试。与商用CF_(x)材料相比,CF_(x)纳米球材料热稳定性提高了12.22%,且结合了金属氧化物的倍率性能和CF_(x)材料的容量特性,在功率输出测试时未出现明显的电压滞后现象,且放电时间延长了12.66%。随着导电性的提升,高电压CF_(x)纳米球电极具有更高的离子扩散系数(2.18×10^(-13)cm^(2)/s)。

碳包覆氟化石墨及其电化学性能

氟化石墨(FG)是目前使用最广泛的锂氟化碳(Li/CF_(x))电池正极材料,然而商用FG中的碳氟键(C-F)为典型的共价键,导电性较差,导致其存在严重的初始放电电压滞后、低的电压平台、差的倍率性能等问题,难以满足大功率放电的需求。以酚醛树脂为碳前驱体,通过简单的搅拌法将酚醛树脂包覆在FG表面,碳化后形成导电碳层,改善FG的导电性,降低电压滞后,提升电池的电压平台和比能量。系统研究了酚醛树脂/FG的比例对碳包覆FG样品(FG@Cs)电化学性能的影响。FG@C-13样品电压平台得到了显著提高,在1000 mA·g^(-1)电流密度下放电平台从纯FG的1.84 V提升到2.21 V,比容量由614.7 mAh·g^(-1)提高到654.9 mAh·g^(-1)。

高容量铬氧化物复合材料的制备及性能

铬氧化物(Cr_(8)O_(21))用作锂一次电池正极材料时,倍率性能较差,可用高容量的氟化碳(CF_(x))和高导电性的石墨烯进行改性。将前驱体CrO_(3)、CF_(x)和石墨烯球磨混合,在270℃下热处理48 h,利用CrO_(3)的热解特性制得Cr_(8)O_(21)/CF_(x)/C复合材料。CrO_(3)、CF_(x)和石墨烯质量比为80∶15∶5时制得的复合材料性能较好,以0.05 mA/cm2在2.0~3.8 V放电,比容量为415.19 mAh/g,比Cr_(8)O_(21)材料的348.37 mAh/g提升了66.82 mAh/g。该复合材料制备的软包装电池,0.1 C放电比容量达390.40 mAh/g,比能量达402 W·h/kg,而Li/Cr_(8)O_(21)制备的软包装电池分别仅有312.20 mAh/g、320 W·h/kg。