變廢為寶 堅果殼變身為高能量密度氟化碳正極材料

氟化碳(CFx)材料因具有神奇的物理、化學特性，而成為現今國際上高科技、高性能、高效益的新型碳基材料研究熱點之一。氟化碳材料在眾多范疇具有緊要的使用價值，比如高能鋰原電池正極、固體潤滑劑以及核反應堆中子減速劑等，其中高能鋰離子電池正極材料是目前需求量最大的范疇。而鋰原電池已成為需要長期耐用、高容量能源產品(如人造心臟起搏器、射頻識別設備、遠程無鑰匙系統和便攜式儀器)的主要電源。此外，當可充電鋰電池的電量不足時，它們可以作為可充電鋰電池的補充能源。鋰-氟化碳（Li-CFx）電池可制成高能量密度、高能輸出功率、長儲存周期、高安全性能的新型電池。其具有比能量大、使用溫度范圍寬（-40℃-80℃）、自放電率小、工作電壓平穩等神奇的優勢，使其成為儲能電池的一種緊要的正極材料。然而高的氟化度與C-F鍵的電化學活性之間的不兼容性限制了氟化碳正極材料能量密度的進一步提高。

近日，天津大學材料科學與工程學院封偉教授團隊(FOCC試驗室)通過以生物質碳為原始材料經低溫氟化制備而成的鋰/氟化碳電池正極材料。相比傳統碳質材料與特定的晶格常數作為起始物料，本文采用非晶態煅燒澳洲堅果殼作為起始物料和使用純F2氣體在低溫下氟化制備了一系列的氟化碳材料(縮寫為F-cMNS)。制備的F-cMNS具有高的比容量和高的放電電壓，最大能量密度為2585Whkg-1，遠遠大于工業氟化石墨和其他氟化納米結構碳。隨后對該材料進行了軟包電池實效驗證，該軟包電池具有很好的電化學性能。與昂貴的低產量納米碳不同，澳洲堅果殼的可獲得性和低成本支持了F-cMNS的規模化加工。因此，F-cMNS具有替代工業氟化石墨的潛力，并可能促使高性能鋰原電池的發展。該技術已申請中國發明專利（專利號：201811026672.4）。

圖1(a,e)F-cMNS-220,(b,f)F-cMNS-250,(c,g)F-cMNS-280,and(d,h)F-cMNS-300的掃描電鏡和透射電鏡圖

圖2F-cMNS在10mAg?1放電條件下的電化學性能

圖3以F-cMNS-280為正極材料制備的軟包電池在0.01C放電條件下的電化學性能。圖中為容量為1Ah的Li/CFx軟包電池的數碼照片。

相關研究成果以Ultrahigh-energy-densityfluorinatedcalcinatedmacadamianutshellcathodeforlithium/fluorinatedcarbonbatteries為題已在線發表在Carbon雜志上（DOI：10.1016/j.carbon.2019.07.065），第一作者為博士研究生彭聰，封偉教授和李瑀博士為該文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金等項目的經費支持。

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