高性能锂氟电池电极材料的新型合成方法与性能研究

锂氟电池作为锂电池的一种，以稳定的放电性能、宽泛的工作温度和轻便的体积等优点被广泛运用在普通锂电池不能使用的极端工作条件下。作为锂氟电池核心的电极材料，氟化纳米碳材料以其良好的机械、光电、热稳定及生物兼容性能成为近年来国内外研究的重心所在。为了实现纳米氟化碳材料合成过程可控性的新需求，本课题提出将两种已经相对成熟的氟化合成法进行全新组合的概念。项目拟以新型合成方法为基础，对影响氟化过程的因素进行系统研究，如不同氟源、反应温度、升温速率及原材料的结构和性质等，从而达到对氟化机理的研究。本项目预期在氟化机理的研究方面取得突破，并在纳米碳材料C-F键与电化学性能之间的关系研究上取得进展，从而提高锂氟电池的电化学性能。上述理论的建立，也将对未来此类材料在多次充电电池电极（超级电容电池）方面的应用提供相关理论依据，推动我国在电池储能方面的基础理论研究。

本课题采用了全新实验思路，将现有两项相对成熟的氟化技术整合，从而实现高温等离子氟化的可能性，进而对氟化机理等目前仍未解决的理论性问题进行了研究。由于氟化碳材料的研究在国内刚刚起步，氟气与物质（尤其是碳材料）的反应机理尚未清晰。课题组所提出的等离子高温氟化方法及理论在国内尚属首次，目前该部分理论及实验数据基础受到国外封锁，在国内仍是空白。因此课题组首先完成了不同等离子体的发生原理，设备构造等基本问题，并结合项目实际情况进行了论证。在此理论基础上，初步完成设备搭建工作：课题完成了直流辉光条件下产生等离子并进行高温氟化的设备前期论证与设计，并进行了实验装置的搭建工作，但由于出现密闭性等现实问题，同时设备需求的电压也较高，并较容易出现电弧，整个实验中存在较大的安全隐患。因此，此方案在满足实验需求的同时难以兼顾安全因素，故而课题组决定在此研究基础上探索一套更加安全的实验设计方案。完成磁导管传输等离子体的研究：课题组在进行直流辉光条件下实现等离子体氟化的基础上，也依然积极探索利用磁导管传输等离子体的实现方案。微波等离子体氟化设备的设计：课题组在原有设备的基础上结合微波等离子体产生原理设计了一套微波等离子体氟化装置。设备由氟源气体贮存装置、微波等离子体发生装置、氟化反应装置、尾气处理装置四部分构成。其中微波等离子体发生装置包括微波源的输出波导、谐振腔和短路活塞等部分，配件尺寸等等按照国家标准进行设计。课题组还利用ANSYS等软件对微波等离子体发生装置的设计进行了模拟仿真优化，确定正倾斜角的矩形波导为设计方案。 直接法氟化碳的制备与特性分析：课题组与企业合作，设计了一套利用氟气直接氟化碳材料的工业化装置。装置已搭建完成，并进行石墨材料的氟化实验。现已制备了不同条件下（温度、反应时间、不同碳材料）的氟化碳样品，并进行了SEM、XRD等表征。结果表明样品均得到不同程度的氟化，而对样品的电化学性能实验表明由该氟化石墨制成的原电池放电电压稳定在2.5V，比容量达900mAh/g，且稳定放电时间可达30h。