天津大学：氟化碳纳米角作为超高功率Li/CFx电池正极材料

成果简介

氟化碳（CFx）在锂原电池正极材料中具有超高的理论能量密度。CFx作为阴极中的活性材料，在性能中起着决定性的作用。然而，商业化的氟化石墨（FG）的性能并不能满足这种不断增长的性能需求。提高整体性能的一种有效方法是操纵碳氟 （C─F） 键。本文，天津大学李瑀, 封伟教授等在《Small》期刊发表名为“Fluorinated Carbon Nanohorns as Cathode Materials for Ultra-High Power Li/CFx Batteries”的论文，研究首先使用碳纳米角作为碳源，然后在相对较低的温度下进行氟化处理，从而获得一种具有半离子C─F 键的新型CFx。氟化程度较高的碳纳米角的比容量可与商用FG相媲美。

密度泛函理论（DFT）计算显示，曲率结构调节其 C─F 键构型、热力学参数和离子扩散途径。占主导地位的半离子 C─F 键保证了良好的导电性，从而提高了速率性能。氟化碳纳米角在 50 C 时的功率密度为92.5 kW kg-1，能量密度为707.6 Wh kg-1。这一结果证明了定制 C─F 键的有效性，以及纳米碳角缩短了锂的扩散路径。这种优异的性能表明了设计碳源的重要性，并为未来的研究提供了新的可能性。

图文导读

图1、氟化碳纳米角（FCNH）的制备示意图。

图2、FCNH的形态学分析

图3、a） FCNH的FTIR光谱，b）CNH和FCNH的XRD图谱，c）CNH和FCNH的拉曼光谱，d）N2CNH和FCNH的吸附-脱附等温线。（d）中的插图是CNH和FCNH的孔径分布。

图4、FCNH 的高分辨率 C1s 光谱 （a–d） 和 F1s 光谱 （e–h）。

图5、a） 氟化碳纳米角碎片的俯视图（左）和侧视图（右）的最优构型（该值表示相应的C─F键长。红色圆圈为五边形。b）氟化碳纳米角碎片电荷密度差异的俯视图（左）和侧视图（右）。黄色和蓝色代表电荷累积和损耗区域。等值面值设置为 0.12 eÅ−3.c）根据氟化碳纳米角碎片的原子种类预测的态密度。

小结

在本研究中，我们采用了具有高弯曲结构和大比表面积的 CNH 作为起始碳材料，并通过低温氟化制备了 FCNH。高弯曲度的 CNH 可以在低温下进行氟化，从而合成高半离子 C─F 键的 CFx。基于 DFT 的原子级计算，我们推测曲率结构在为半离子 C─F 的形成提供更好的化学环境方面发挥了关键作用。这种材料能有效提高放电电位，例如，FCNH-120 的放电电位超过 3.0 V。同时，这也表明在直接氟化过程中，温度是调节 F/C 比和 C─F 键的最有效参数。FCNH-240 的能量密度为 2231.2 Wh kg-1，是本研究中所有样品中最高的，这是因为它具有较高的比容量。FCNH-160 的最大功率密度为 92.5 kW kg-1，是迄今为止报告的最高功率密度。这项研究为锂/CFx 电池的实际应用提供了更多的途径。

文献

https://doi.org/10.1002/smtd.202301090