新型氟化石墨烯材料反应机理研究及在高性能锂氟电池应用上的探索

Graphene is one of the most important discoveries of 21th century since this material possesses impressive physic-chemical properties of both graphite and carbon nanotubes. The quantum effect and electron transportation properties of graphene highlight the further eventual applications on Li batteries. The primary Li-CF batteries use fluorinated carbon material as anode, the precedent researches show that this kind of batteries has a high electrochemical performance. As a matter of fact, the investigation of the fluorinated graphene is a key point to better understand the fluorination mechanism. Unfortunately, the fluorine is the most electronegative element which means that the fluorination process is a very reactive one. The fluorination mechanism of graphene has not been reported for the moment for the raison above. The aim of this project is firstly to develop a new controlled fluorination method using plasma as fluorine sources. This controlled method permits a strict manipulation in flux of fluorine, rise rate of reaction temperature conducting to a perfect control of fluorination process. Different fluorination levels could be modulated trough this new method which allow understanding the fluorination mechanism of fluorinated graphene. The fluorination process is also investigated by electrochemical method using fluorinated graphene as electrode materials in Li-CF batteries. Secondly, thanks to the different fluorination levels obtained by controlled method, the link between the C-F liaison and the morphologies of carbon precursors could be highlighted in this project. Both the new controlled fluorination way and the investigation of fluorination process of graphene will contribute for the theoretical studies of graphene in the future.

石墨烯材料是一种全新的二维结构碳材料，它兼有石墨和碳纳米管等材料的优良性质，在纳米电子学，超级电容器等领域具有潜在应用前景。石墨烯的化学改性主要分为氧化、氢化和氟化三种，可有效调节该材料的化学性能和电性能。通过对石墨烯的氟化化学修饰，使该类材料具有特殊的二维平面结构、表面能低和带隙宽等优异性能，可广泛应用于光电子器件及纳米电子器件等领域。本项目拟利用实验室自行开发的等离子高温氟化装置，通过对石墨烯氟化反应过程中条件因素，氟源因素等的分析，实现对石墨烯氟化过程的可控，进而研究石墨烯的氟化反应机理，提出并建立该材料的氟化反应模型；研究氟化石墨烯材料在锂氟电池中的电化学性能，提高现有锂氟电池电化学性能；对比不同前驱体氟化碳材料放电特性，总结完善前驱体与C-F键强的关系。此类研究对基于石墨烯的功能导向材料设计和可控，完善碳材料氟化反应机理研究具有重要理论指导意义和实际应用价值。

锂氟电池通常应用于锂锰电池不能使用的极端工作环境，如汽车报警器、轮胎测试器、工业控制主板、智能电子标签，紧急疏散设备电源系统等设备,并逐步应用在植入式医疗器械的供电以及军事与航空航天方面。氟化碳材料作为锂氟电池的电极材料，其原材料的选取、合成以及氟化反应机理的研究一直是锂氟电池发展的关键。作为锂氟电池的前驱体材料，碳材料的多样性也不断丰富、提高并完善着锂氟电池的电化学性能。从单一的石墨材料，再到近年来不断发展的纳米材料，氟化多壁纳米碳管被逐步应用到电池的电极材料中，此类材料的应用，可使锂氟电池拥有更大的比能量，更宽的工作温度。同时，也为氟化碳材料在电池储能方面带来了新的发展方向：以纳米氟化碳材料为电极的新型高性能超级电容电池将可以解决目前锂氟电池只能一次充电的问题，并带来较传统以碳材料作为电极材料的超级电容电池更大的储电能力。.本课题选取石墨烯材料作为锂氟电池电极材料的前驱体，着重探讨氟化石墨烯的新型合成方法，解决此类材料在合成过程中的关键可控问题，从而达到对氟化机理的理论研究。反应过程的可控关键主要集中在对氟原子释放速率的控制上，本课题基于固体氟化剂氟化的基本原理，设计并制造出一套具有完全自主知识产权的氟化装置，在保证了实验的产率和产量且反应过程可控。同时由于可以控制反应整体在高密封性真空环境中进行，与外界隔绝，环境友好，解决了此类高危化学反应的安全问题。通过对不同类型碳材料的验证实验，最终合成具有不同氟碳比的氟化石墨烯材料。.通过对石墨烯材料新型氟化路径的探索，解决了该类材料合成中所带来的对环境污染，对实验人员易产生危害等问题，在合成氟化石墨烯材料的同时，通过对反应温度，反应时长的控制，实现了对反应过程的可控，对氟化石墨烯的反应机理研究提供数据。通过对复合高温质子交换膜的合成研究，为下一步氟化石墨烯作为电池正极在锂氟电池中的应用奠定基础。