新型全固态钠/氟化石墨烯二次电池的构筑及电化学性能研究

Driven by social advancement and potential market demand, a large number of chemical energy storage systems incorporating the newest idea, material and technology continue to emerge. The all-solid-state batteries as new chemical energy storage systems have higher energy density, better safety and longer cycle life as compared to traditional liquid electrolyte batteries, thus are more suited for a variety of new applications. In this paper, we propose a study of the new all-solid-state rechargeable Na/CFx (sodium/ graphene fluoride) battery by focusing on the synthesis and structural/morphological characterization of cathode material graphene fluoride and solid electrolyte LaF3 , with the goal of designing and building all-solid-state sodium rechargeable batteries. We will build in-situ electrochemical nuclear magnetic resonance technique to investigate the mechanism of electrochemical process and the role of interface on the electrochemical performance. We will also prove that CFx can be used as cathode material for sodium rechargeable batteries, becoming a new concept for battery energy density exponentially system.

在社会发展需求和潜在市场需求的推动下，基于新概念、新材料和新技术的化学储能新体系不断涌现。全固态电池由于能量密度高、安全性好、长寿命等特点，作为一种新型化学储能电池取代传统液体电解液电池是新能源技术飞速发展的需要。本课题拟以新型全固态钠/氟化石墨烯二次电池为研究目标，开展电池材料氟化石墨烯和固体电解质三氟化镧等材料的制备及结构形貌表征、设计构筑全固态钠二次电池、电池的电化学性能及机理研究等工作，同时建立原位电化学核磁共振技术，研究电池充放电机理及界面对电化学性能的影响。证明氟化碳能够作为正极材料应用于钠二次电池，成为实现电池能量密度成倍增长的新概念体系。

通过高温氟化法制备了不同氟含量的正极材料氟化石墨烯，并研究了其优异电化学性能与结构碳氟键之间的构效关系；通过固体核磁NMR技术发现具有半离子键结构的C-F键对氟化石墨烯形态、结构、比表面积及电化学性能具有重要影响。通过优化半离子键的含量，我们发现GF0.8具有最优的电化学性能，在电流密度为10 A g-1条件下，获得1073 Wh kg-1的高比能量和21460 W kg-1的高比功率性能，从而获得了一种改善氟化石墨烯比功率较优的工艺路径。在固态电池方面，我们设计了三种全固态电池结构，全固态Na/LaF3/FG电池，全固态Li/LiTFSI/FG电池，全固态Na/NaTFSI/FG电池，其中全固态Li/LiTFSI/FG和Na/NaTFSI/FG电池可以实现首次放电，全固态Na/LaF3/FG电池无法实现充放电；EC-NMR谱学表征方面，我们利用了固体核磁共振技术研究氟化石墨烯材料在充放电不同阶段的产物特性，提出了一种新的氟化石墨烯锂化机理并对其生成产物氟化锂在固态和液态电池形貌不同的原因进行了分析和解释。