天大封伟教授团队 EEM：突破能量极限 - 2974 Wh kg-1超高能量密度锂/氟化碳电池

Original 化学与材料科学化学与材料科学 2023-01-28

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【研究背景】
具有独特氟碳结构（氟碳原子配比和氟碳化学键）的氟化碳材料是我国电能源产业亟需的“卡脖子”材料，其超高的理论能量密度，是未来高比能量锂原电池主要的发展种类之一。氟化碳材料是理论能量密度最高的固态正极材料，是决定基于锂氟化碳电池的电能源系统能量特性的核心材料之一，其中氟碳结构是决定氟化碳材料存储容量的关键。由于氟原子和碳原子较大的电负性差异，使氟碳结构呈现多样性，然而现有氟化技术难以实现氟碳结构的选择性调控。高温气相氟化法制备的氟化石墨只能呈现出典型的共价化合物特征，碳材料的共轭结构破坏严重，电化学活性大幅降低，在实际工作中存在电压平台低、导电性能差等问题，从而导致能量密度偏低。如今，亟需开发新型氟化碳材料、进一步提高氟化碳的能量密度，加快实现产品的替代和升级。

【图文导读】近日，天津大学封伟教授团队将硼掺杂石墨烯作为前驱体，采用低温气相氟化的方法，利用氟化作用和硼元素反应形成BF₃“带走”碳骨架中的硼原子，制备了一系列富含原子级别缺陷的氟化石墨烯，通过优化氟化工艺和改变氟化石墨烯的缺陷程度来调控氟化石墨烯的微观结构，进而提高锂/氟化碳电池的能量密度和功率密度。该研究使用硼酸作为掺杂剂制备了硼掺杂石墨烯（BG），将其作为制备CFx的起始材料。硼元素的掺杂不仅优化了CFx的F/C比，并且提高了C-F键的电化学活性。在氟化过程中，带正电荷的含硼官能团从石墨烯晶格中去除，形成了富含缺陷的石墨烯基体，不仅提高了F/C比，还为Li⁺提供了额外的存储位点。所制备的CFx表现出1204 mAh g^-1的最大比容量和前所未有的2974 Wh kg^-1的能量密度，远高于商用氟化石墨的理论能量密度（2180 Wh kg^-1）。

图1. FBG的制备流程图

图2. FBG的形貌分析：(a-d) FBG各样品的SEM图像；(e-h) FBG各样品的TEM图像

图3. FG和FBG各样品的（a）XRD图像；（b）FTIR光谱；（c）氮气吸附等温线；（d）孔径分布图。

图4. BG和FBG各样品的XPS（a）B1s，（b）N1s，（c）C1s光谱。

图5. (a-d) FBG各样品在不同倍率下的放电曲线。

图6.（a）FBG-5与之前报道的CFx正极的电化学性能比较；（b）FBG的Ragone图像；（c）FG和FBG的Nyquist图；（d）0.01 C放电倍率下的FBG-2和FG的D_Li⁺。所制备的FBG表现出较高的F/C比（~1.3）和丰富的微孔结构，不仅增加了来自正极电化学反应的比容量，还为Li⁺提供了额外的存储位点，获得了额外的容量。在较低的氟化温度下，半离子C-F键的形成和FBG基面周期性结构中的空位缺陷改善了Li/CFx电池的放电平台，并促进了Li⁺在整个电极中的扩散。通过优化B掺杂含量，FBG表现出超高的比容量和能量密度，此外，FBG正极还表现出优异的倍率性能，可以在20C下放电，并提供30.56 kW kg^-1的最大功率密度。本研究表明了硼掺杂碳源在提高Li/CFx电池的能量和功率密度方面具有很大的前景。

作者简介

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封伟，天津大学教授。国家“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金获得者，科技部中青年创新领军人才, 第二批天津市杰出人才，天津市“131”创新型团队负责人，英国皇家化学会会士(FRSC)，日本 JSPS 学术振兴委员会高级访问学者，国务院政府特殊津贴专家。任第七届、第八届教育部科技委委员、中国复合材料学会导热复合材料专委会首任主任委员。主要从事功能碳复合材料、高导热功能复合材料、光热能转换存储材料、高性能氟化碳材料方向研究，成果在Chem. Soc. Rev.、Nat. Comm.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed. 等期刊上发表文章 200 余篇，国内外专利80多件。以第一获奖人身份获得教育部、天津市等省部级一等奖3项。