一种改性氟化碳及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种改性氟化碳及其制备方法和应用 (Modified carbon fluoride and preparation method and application thereof ) 是由 李烨 刘超 杨敏 李明书 张鹏 陈少云 焦文慧 方治文 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及锂电池技术领域,具体涉及一种改性氟化碳及其制备方法和应用。制备方法包括：1)将氟化碳、氨水和乙醇混合,搅拌形成悬浊液,使氟化碳分散均匀；2)步骤1)所得悬浊液反应后洗涤过滤,得到氟化碳滤渣；3)将步骤2)所得氟化碳滤渣干燥,得到目标产物改性氟化碳；该改性氟化碳可用作电极材料；锂电池为以该改性氟化碳作为正极材料的锂电池。本发明成功使用氨水改性了氟化碳,降低了氟化碳中游离氟的含量,得到了具有低温和大倍率环境下优良放电性能的氟化碳材料。(The invention relates to the technical field of lithium batteries, in particular to modified carbon fluoride and a preparation method and application thereof. The preparation method comprises the following steps: 1) mixing carbon fluoride, ammonia water and ethanol, and stirring to form a suspension so as to uniformly disperse the carbon fluoride; 2) washing and filtering the suspension obtained in the step 1) after reaction to obtain carbon fluoride filter residues; 3) drying the carbon fluoride filter residue obtained in the step 2) to obtain a target product modified carbon fluoride; the modified fluorocarbon can be used as an electrode material; the lithium battery is a lithium battery using the modified carbon fluoride as a positive electrode material. According to the invention, ammonia water is successfully used for modifying the carbon fluoride, the content of free fluorine in the carbon fluoride is reduced, and the carbon fluoride material with excellent discharge performance in low-temperature and high-rate environments is obtained.)
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种改性氟化碳及其制备方法和应用。
背景技术
氟化碳材料是碳材料的重要衍生物，其具有极低的表面能和层间能，化学稳定性和热稳定性优异，理论比容量高，因此，其在固体润滑、防腐防污和电池电极材料等领域有着重要的应用。特别是在电池电极材料领域，锂/氟化碳电池凭借高比能量得到了广泛关注，同时其-60℃～180℃的工作温度范围，也非常适合航空航天等极端环境要求。
对于锂/氟化碳电池的发展，其核心在于氟化碳材料的性能。由于C-F键的强共价特性，氟化碳的导电性差，并且氟化碳的表面能低，与电解液渗透性差，因此氟化碳作电极时，容易引起极化，导致锂/氟化碳电池倍率性能较差，放电平台较低，远不及其理论放电平台，不能满足高功率放电要求。
在一般的氟化碳材料中，含有一定量的游离氟，游离氟在电池的化学反应中不贡献容量，而且在电化学反应过程中，电解液会跟游离氟反应生成氟化氢等物质，对电池造成腐蚀，除此之外，在电化学反应过程中，游离氟会堵塞离子通道，不利于锂离子迁移，从而影响电池的倍率性能。一般采用水洗的方式对氟化碳材料进行去除游离氟，但水洗不能十分有效的去除游离氟，且不能明显地提升材料的电化学性能，由于改性会对氟化碳的性能产生显著影响，因此有必要提供一种能够明显改善氟化碳性能的改性氟化碳及其制备方法。
发明内容
针对普通锂/氟化碳电池不能满足高倍率放电要求的技术问题，本发明提供一种改性氟化碳及其制备方法、应用。本发明成功使用氨水改性了氟化碳，降低了氟化碳中游离氟的含量，得到了具有低温和大倍率环境下优良放电性能的氟化碳材料。
第一方面，本发明提供一种改性氟化碳的制备方法，包括如下步骤：
1)将氟化碳、氨水和乙醇混合，搅拌形成悬浊液，使氟化碳分散均匀；
2)步骤1)所得悬浊液反应后洗涤过滤，得到氟化碳滤渣；
3)将步骤2)所得氟化碳滤渣干燥，得到目标产物改性氟化碳。
进一步的，氟化碳与氨水的质量体积比为1：0.01～20g/mL。
进一步的，氨水浓度为1％～28％。
进一步的，氟化碳与乙醇的质量体积比为1：0.01～20g/mL。
进一步的，步骤2)悬浊液的反应时间为0.01～24h。
进一步的，步骤2)悬浊液的反应在静置、超声、加热、水热、抽真空、加压中至少一种条件下进行；
步骤2)洗涤过滤采用离心、抽滤或其他现有洗涤过滤方法中的至少一种；
步骤3)干燥采用水浴加热蒸发、干燥箱烘干、真空干燥、自然风干或其他现有干燥方法中的至少一种。
进一步的，步骤3)干燥温度为20～200℃。
第二方面，本发明提供一种采用上述方法制得的改性氟化碳。
第三方面，本发明提供一种上述改性氟化碳作为电极材料的应用，优选为锂电池正极材料。
本发明的有益效果在于，
本发明提供的改性氟化碳制备方法简单、成本低、可控性强，可降低氟化碳中游离氟的含量，提升材料的电化学性能；
所制得的改性氟化碳为微米级粉体，纯度高，具有较高的放电平台、较好的倍率性能和较好的低温性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1材料的扫描电子显微镜图片；
图2是实施例4锂电池的放电性能图；
图3是实施例5锂电池的放电性能图；
图4是对比例1锂电池的放电性能图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
将8g氟化碳均匀分散在10mL乙醇中，然后加入10mL浓度为25％的氨水混合，搅拌均匀，静置反应2h，然后将悬浊液抽滤，将滤渣放入干燥箱内，100℃干燥12h，得产物改性氟化碳。对氨水改性前后的氟化碳材料分别进行游离氟含量测试，未改性的氟化碳游离氟含量为1.98％，改性后的氟化碳游离氟含量为0.0042％。本实施例所得材料的扫描电子显微镜图片如图1所示。
实施例2
将10g氟化碳均匀分散在20mL乙醇中，然后加入20mL浓度为25％的氨水混合，搅拌均匀，超声4h，然后将悬浊液抽滤，将滤渣放入干燥箱内，100℃干燥12h，得产物改性氟化碳。对氨水改性前后的氟化碳材料分别进行游离氟含量测试，未改性的氟化碳游离氟含量为1.98％，改性后的氟化碳游离氟含量为0.0028％。
实施例3
将500g氟化碳均匀分散在10L乙醇中，然后加入10L浓度为25％的氨水混合，搅拌均匀，静置浸泡2h，然后将悬浊液抽滤，将滤渣放入干燥箱内，120℃干燥24h，得产物改性氟化碳。对氨水改性前后的氟化碳材料分别进行游离氟含量测试，未改性的氟化碳游离氟含量为5.65％，改性后的氟化碳游离氟含量为0.00097％。
实施例4
以实施例1制得的改性氟化碳材料作为正极材料，将所得改性氟化碳正极材料、导电炭黑和PVDF按80:10:10的比例混合于N-甲基吡咯烷酮中，研磨成膏状，涂布到铝箔上；在120℃真空干燥12h，裁成直径12mm的电极片；将称重后的电极片做成正极，以金属锂为负极，以聚乙烯微孔膜为隔膜，以1M LiClO4(DME+PC)为电解液，在充满氩气的手套箱中组装成锂电池。
实施例5
以实施例2制得的改性氟化碳材料作为正极材料，其余材料选择同实施例4，在充满氩气的手套箱中组装成锂电池。
对比例1
以实施例1的原料氟化碳作为正极材料，其余材料选择同实施例4，在充满氩气的手套箱中组装成锂电池。
在电压下限为1.5V的条件下，对实施例4、5的锂电池进行电化学性能测试。如图2所示，实施例4锂电池在50mA/g的放电电流下，1.5V以上放电比容量为762mAh/g，放电平台达到3.12V；在4A/g的放电电流下，1.5V以上放电比容量为634.2mAh/g，放电平台达到2.74V，具有良好的倍率性能；在-40℃的环境下，以50mA/g的电流放电，1.5V以上的放电比容量为517.5mAh/g，放电平台为2.65V，具有良好的低温放电性能。
如图3所示，实施例5锂电池在50mA/g的放电电流下，1.5V以上放电比容量为719.2mAh/g，放电平台达到3.10V；在4A/g的放电电流下，1.5V以上放电比容量为625.2mAh/g，放电平台达到2.73V，具有良好的倍率性能；在-40℃的环境下，以50mA/g的电流放电，1.5V以上的放电比容量为462.1mAh/g，放电平台为2.59V，具有良好的低温放电性能。
对对比例1的锂电池进行电化学性能测试，结果如图4所示，在50mA/g的放电电流下，1.5V以上放电比容量为717.6mAh/g，放电平台达到3.12V；在4A/g的放电电流下，1.5V以上放电比容量为617.8mAh/g，放电中值电压为2.21V，且平台下滑严重；在-40℃的环境下，以50mA/g的电流放电，1.5V以上的放电比容量为360.7mAh/g，放电平台为2.32V。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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