切割单壁碳纳米管制备超高能量密度锂/氟化碳电池

锂原电池在通讯装备、人造心脏起搏器、射频识别设备、远程无钥匙系统、石油钻井平台电源和便携式仪器等需要长存储寿命、高能量密度和宽工作温度范围的特殊领域具有广泛的需求与应用。随着国民生活质量的不断提高，电子设备、装备等不断升级换代，作为配套电源的锂原电池，也必须进行升级换代，而高能量、高功率的锂原电池就是未来的发展方向。在各种固体正极材料中，氟化碳（CF_x）材料由于其理论能量密度远高于其他正极材料而受到了前所未有的关注。Li/CF_x电池具有比能量大、使用温度范围宽（零下40度到80度）、自放电率小、工作电压平稳等独特的优点，可以满足高端民用设备输出电源的要求，有广泛的应用前景。然而高的氟化度与C–F键的电化学活性之间的不兼容性限制了氟化碳正极材料能量密度的进一步提高。

近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授课题组采用直接在高温下对单壁碳纳米管（SWCNTs）进行切割，制备出单层氟化石墨烯纳米带（F-GNRs）。丰富的边缘结构和碳骨架周期性结构的破坏使其具有高的氟化程度和放电平台，从而使得能量密度高达2738.45 W h kg⁻¹。在高氟化温度下，理论计算得出氟原子在碳纳米管外以zigzag路径吸附，从而证实了切割单壁碳纳米管形成单层F-GNRs是一个自发过程。

图1 氟化石墨烯纳米带在不同放大倍数下的TEM图；（b）中插图是对应的选区衍射图，尺寸为10 1/nm

图2 氟化石墨烯纳米带的AFM图（a）和对应的高度分布分析（b）

图3 氟化石墨烯纳米带在不同电流密度下的恒流放电曲线

单壁碳纳米管的可控氟化为制备不同用途的CF_x，特别是超高能量密度正极材料提供了一条可行的途径。该技术已获得中国发明专利授权（ZL201810348719.2）和美国发明专利授权（US1034921B1）。

相关研究成果以“Fluorinated graphene nanoribbons from unzipped single-walled carbon nanotubes for ultrahigh energy density lithium-fluorinated carbon batteries”为题发表在Science China Materials上，DOI: 10.1007/s40843-020-1551-x。【点击下方“阅读原文”】