一种氟化碳材料及其制备方法和应用

本发明属于锂/氟化碳电池，具体涉及一种氟化碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、一次电池具有使用寿命长、较高能量密度和工作电压，即使在锂离子电池二次电池技术广泛应用的今天，仍有广阔应用前景，特别是更高能量密度的锂/氟化碳电池更是备受关注，在航天航空、汽车、智能仪表等领域应用广泛。

2、为了获得能量密度较高的锂/氟化碳电池，人们一方面通过提升氟化碳的克容量，另一方面降低非活性物质的重量，但仍存在技术瓶颈。

3、氟化的方式主要有高温氟化和低温氟化，高温制备氟化碳过程中，碳材料与含氟气体(如f2/hf混合气体)或者其他氟源混合在300℃～650℃下发生氟化反应。然而c-c之间以sp3杂化为主，c-f共价键键能较高，导电性较差。低温下氟化过程中，主要制备氟化石墨插层化合物cfx，但是氟含量较低，导致电池比容量不高。工业上基本采用高温氟化的方法，但随着氟化度的增加，形成大量的cf2等非活性基团，并不能提供容量的同时，降低了氟化碳材料的电导率，不利于电池倍率性能的发挥。

技术实现思路

1、针对背景技术中的上述问题，本发明的目的是提供一种氟化碳材料及其制备方法和应用，本发明的制备方法能够使得氟化碳材料中氟碳键均匀分布，碳层间距变大，进而提升氟化碳材料的比容量。

2、本发明目的是通过以下方式实现：

3、本发明提供一种氟化碳材料的制备方法，主要包括以下步骤：

4、(1)将碳材料放入固定床反应器中，抽真空至0.005～0.1kpa；

5、(2)加热到200～1000℃后，通入惰性气体，保持反应体系压力为10kpa～95kpa，然后通入含卤化试剂的惰性气体进行卤化反应4-96小时，得到卤化碳，卤化碳中卤素原子与c的摩尔比为0.4～1.4:1，优选0.6～1.2:1；

6、(3)向步骤(2)的反应器中持续通入含氟化试剂的惰性气体，在100～1000℃下反应4-96小时；

7、(4)将步骤(3)得到的产物用碱溶液浸泡，去离子水清洗至中性，干燥后得到氟化碳材料。

8、基于上述技术方案，进一步地，步骤(1)中所述的碳材料的粒径为1～100μm，优选3～30μm。

9、基于上述技术方案，进一步地，步骤(2)中加热温度为250～450℃。

10、基于上述技术方案，进一步地，步骤(2)中所述的含卤化试剂的惰性气体中卤化试剂的体积百分比为30～70％；所述卤化试剂为氯化试剂、溴化试剂、碘化试剂的一种或者两种以上。

11、基于上述技术方案，进一步地，步骤(3)中反应温度为200～400℃。

12、基于上述技术方案，进一步地，步骤(3)中所述的含氟化试剂的惰性气体中氟化试剂的体积百分比为10～30％；所述的氟化试剂为氟化氢、氟气、气相氟化物中的一种或者两种以上。

13、基于上述技术方案，进一步地，所述的气相氟化物为三氟化氮、二氟化氙中的一种或者两种。

14、基于上述技术方案，进一步地，所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或者两种以上。

15、基于上述技术方案，进一步地，步骤(4)中所述的碱溶液为浓度5～20wt％的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。

16、本发明另一方面提供上述制备方法制得的氟化碳材料。

17、基于上述技术方案，进一步地，所述的氟化碳材料中氟原子与c摩尔比0.4～1.4:1，优选0.6～1.2:1。

18、本发明还提供上述的氟化碳材料在锂离子电池中的应用。

19、基于上述技术方案，进一步地，所述的氟化碳材料作为锂离子电池的正极材料。

20、本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

21、本发明首先通过卤化反应，使得卤素原子位于碳层之间，间距变大，有利于完成后续的氟化反应，也使得碳的各处异性降低，避免边缘碳过度氟化而导致的无效结构，制备的氟化碳比容量更高，碳材料更宽的层间距又能使电解液充分浸润，保证了电池的功率特性，本质上，本发明提供了一种能够使得氟化碳材料中氟碳键均匀分布的方法。

技术特征：

1.一种氟化碳材料的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的碳材料的粒径为1～100μm，优选3～30μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中加热温度为250～450℃；所述的含卤化试剂的惰性气体中卤化试剂的体积百分比为30～70％；所述卤化试剂为氯化试剂、溴化试剂、碘化试剂的一种或者两种以上。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中反应温度为200～400℃；所述的含氟化试剂的惰性气体中氟化试剂的体积百分比为10～30％；所述的氟化试剂为氟化氢、氟气、气相氟化物中的一种或者两种以上。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的气相氟化物为三氟化氮、二氟化氙中的一种或者两种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或者两种以上。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的碱溶液为浓度5～20wt％的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。

8.权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的氟化碳材料。

9.权利要求8所述的氟化碳材料在锂离子电池中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的氟化碳材料作为锂离子电池的正极材料。

技术总结本发明公开了一种氟化碳材料及其制备方法和应用，属于锂/氟化碳电池技术领域。本发明通过将碳材料放入固定床反应器中，抽真空后，加热到200～1000℃后，通入惰性气体，保持反应体系压力稳定后，然后通入含卤化试剂的惰性气体进行卤化反应，得到卤化碳，持续通入含氟化试剂的惰性气体，在100～1000℃下反应，所得的产物经碱液浸泡、去离子水清洗，干燥后得到氟化碳材料。本发明首先通过卤化反应使得卤素原子位于碳层之间，间距变大，有利于完成后续的氟化反应，也使得碳的各处异性降低，避免边缘碳过度氟化而导致的无效结构，制备的氟化碳比容量更高，碳材料更宽的层间距又能使电解液充分浸润，保证了电池的功率特性。技术研发人员：李先锋,曲超,刘翠连受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/27