一种等离子体诱导活化氟化碳的方法及锂一次电池制备与流程

本发明属于新材料、一次电池技术领域，具体涉及一种等离子体诱导活化氟化碳的方法，并以诱导处理后的氟化碳材料作为锂一次电池的正极材料制备锂一次电池。

背景技术：

锂/氟化碳电池表示为li/(cfx)n，正极为氟化碳材料(cfx)n，负极为金属锂。锂一次电池有很多系列，常见的有锂-二氧化锰、锂-硫化铜、锂-氟化碳、锂-二氧化硫和锂-亚硫酰氯等。相对于其他固体正极材料电池，锂/氟化碳电池是目前性能最佳的一次电池体系。锂/氟化碳电池(li/(cfx)n)体系的理论能量密度高达2189wh/kg，是第一个采用固体正极材料的商业化锂电池。同时锂/氟化碳电池具有比能量大、工作电压高、工作温度范围宽、储存性能优越(自放电小)、使用携带便利等优点，可满足军事、航空、医药等领域电源的应用要求，具有很大的市场潜力，备受研究者的广泛关注。但是目前还存在许多难题限制锂/氟化碳电池的广泛应用，氟化碳材料因其导电性能差，影响其放电性能，特别是大电流下的输放电能力；电压存在滞后效应，同时放电平台低等。通过混合正极的方法可以有效改善氟化碳材料的放电性能。例如中国专利201911130266.7公开了一种v2o5-氟化碳混合正极材料及其制备方法，充分利用了v2o5材料具有高的放电平台电压、良好的大电流放电能力和放电过程中发热非常小等优点，弥补了氟化碳正极材料放电初期的电压滞后问题，有效改善了其大电流放电能力，大幅提高了锂/氟化碳电池的倍率性能，降低了锂/氟化碳电池放电过程中的温升，扩大了锂氟化碳电池的应用范围。但是其比容量没有得到提升，电压滞后效应仍然存在。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提供了一种等离子体诱导活化氟化碳的方法及锂一次电池制备。本发明利用等离子体技术对氟化碳材料表面进行改性，使得氟化碳材料表面达到去氟化、表面官能团改性以及激活氟碳键活性的效果；采用诱导活化后的氟化碳为正极材料，得到了一种高比容量、高能量密度、电压滞后效应明显改善的锂/氟化碳电池。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种等离子体诱导活化氟化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、称取0.1～100g的氟化碳，放置于等离子体增强化学气相淀积(pecvd)设备的管式炉腔体中，然后向炉内通入总流量为10～100ml/min的诱导气体，通入时间为5～10min，以排出管内空气；

步骤2、启动真空泵，对腔体进行抽真空处理，调节诱导气体的总流量为20～50ml/min，使得腔体内真空度在10～100pa范围内维持10～30min，然后，启动等离子体激发源，在100w～500w的功率下进行等离子体诱导处理1min～120min，得到诱导活化后的氟化碳。

进一步地，步骤1和步骤2所述诱导气体为氮气、氩气、氢气、乙炔中的一种或几种。

进一步地，当诱导气体为氮气和氩气中的一种以上，与氢气和乙炔中的一种以上的混合气氛时，氮气或氩气的气流量需大于氢气或乙炔的气流量。

本发明还提供了一种上述诱导活化后的氟化碳作为锂/氟化碳一次电池的正极材料的应用，该锂/氟化碳一次电池包括氟化碳正极、锂金属负极、电解液以及隔膜。

进一步地，所述氟化碳正极是通过将诱导活化后的氟化碳、导电炭黑和pvdf的混合浆料涂覆在铝箔集流体上形成的。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种等离子体诱导活化氟化碳的方法及锂一次电池制备，利用等离子体高能粒子与氟化碳材料之间相互作用发生化学和物理协同反应，在去氟化过程中诱导生成半离子键作用的c-f；同时等离子体技术诱导氟化碳表面大量c-f键断裂，使得导电碳原子得以暴露，实现去氟化、原位碳层包裹以及少量官能团接枝；暴露的导电碳原子在放电过程中可以作为导电网络，减轻放电过程中极化产生，保持高放电电压平台，减轻电压滞后效应，提高电池放电比能量，有效提高了电池的放电能力。因此，本发明基于等离子体诱导活化的氟化碳的锂一次电池，具有高比容量、高能量密度的特点，为锂/氟化碳电池的推广应用奠定了重要的基础。

附图说明

图1为诱导处理前的氟化碳原材料在不同放大倍率下的sem图；

图2为实施例3得到的诱导活化后的氟化碳材料在不同放大倍率下的sem图；

图3为诱导处理前的氟化碳原材料与实施例3得到的诱导活化后的氟化碳材料在不同放大倍率下的tem图；其中，(a)、(b)、(c)为诱导处理前的氟化碳原材料在不同放大倍率下的tem图；(d)、(e)、(f)为诱导活化后的氟化碳材料在不同放大倍率下的tem图；

图4为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料的xrd图；其中，cf为诱导处理前的氟化碳原材料，cf-10为实施例1得到的诱导活化后的氟化碳，cf-30为实施例2得到的诱导活化后的氟化碳，cf-60为实施例3得到的诱导活化后的氟化碳；

图5为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料的热重曲线；其中，cf为诱导处理前的氟化碳原材料，cf-10为实施例1得到的诱导活化后的氟化碳，cf-30为实施例2得到的诱导活化后的氟化碳，cf-60为实施例3得到的诱导活化后的氟化碳；

图6为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料的xps图；其中，(a)为诱导处理前的氟化碳原材料cf，(b)为实施例1得到的诱导活化后的氟化碳cf-10，(c)为实施例2得到的诱导活化后的氟化碳cf-30，(d)为实施例3得到的诱导活化后的氟化碳cf-60；

图7为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料组装的电池的1c放电曲线；其中，cf为诱导处理前的氟化碳原材料，cf-10为实施例1得到的诱导活化后的氟化碳，cf-30为实施例2得到的诱导活化后的氟化碳，cf-60为实施例3得到的诱导活化后的氟化碳；

图8为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料组装的电池的0.01c放电曲线；其中，cf为诱导处理前的氟化碳原材料，cf-10为实施例1得到的诱导活化后的氟化碳，cf-30为实施例2得到的诱导活化后的氟化碳，cf-60为实施例3得到的诱导活化后的氟化碳；

图9为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料组装的电池的eis曲线；其中，cf为诱导处理前的氟化碳原材料，cf-10为实施例1得到的诱导活化后的氟化碳，cf-30为实施例2得到的诱导活化后的氟化碳，cf-60为实施例3得到的诱导活化后的氟化碳。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例，进一步详述本发明的技术方案。

实施例1

一种等离子体诱导活化氟化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、称取10g的氟化碳粉末，放置于等离子体增强化学气相淀积(pecvd)设备的管式炉腔体中，使其距离等离子体发生器50cm，然后向炉内通入流量为50ml/min的氮气作为诱导气体，通入时间为10min，以排出管内空气；

步骤2、启动真空泵，对腔体进行抽真空处理，调节氮气的流量为20～40ml/min，使得腔体内真空度在10～20pa范围内维持30min；然后，启动等离子体激发源，在200w的功率下进行等离子体诱导处理10min，得到诱导活化后的氟化碳样品，样品呈黑色。对样品的电池性能进行测试，发现截止到1.5v时，比容量可达801mah/g，高于诱导处理前的氟化碳原材料的比容量(789mah/g)。

实施例2

本实施例与实施例1相比，区别在于：步骤2的过程调整为：启动真空泵，对腔体进行抽真空处理，调节氮气的流量为20～30ml/min，使得腔体内真空度在10～20pa范围内维持30min；然后，启动等离子体激发源，在200w的功率下进行等离子体诱导处理30min，得到诱导活化后的氟化碳样品，得到的样品呈深黑色。对样品电池性能进行测试，发现截止到1.5v时，比容量可达822mah/g，高于诱导处理前的氟化碳原材料的比容量(789mah/g)。

实施例3

本实施例与实施例1相比，区别在于：步骤2的过程调整为：启动真空泵，对腔体进行抽真空处理，调节氮气的流量为20～30ml/min，使得腔体内真空度在10～20pa范围内维持30min；然后，启动等离子体激发源，在200w的功率下进行等离子体诱导处理60min，得到诱导活化后的氟化碳样品，得到的样品呈深黑色。对样品电池性能进行测试，测得电压平台较稳定，截止到1.5v时，比容量最高达847mah/g。

实施例4

一种等离子体诱导活化氟化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、称取10g的氟化碳粉末，放置于等离子体增强化学气相淀积(pecvd)设备的管式炉腔体中，使其距离等离子体发生器50cm，然后向炉内通入氩气和氢气作为诱导气体，氩气的气流量为40ml/min，氢气的气流量为10ml/min，通入时间为10min，以排出管内空气；

步骤2、启动真空泵，对腔体进行抽真空处理，调节诱导气体的总流量为20～30ml/min，使得腔体内真空度在10～20pa范围内维持30min，然后，启动等离子体激发源，在300w的功率下进行等离子体诱导处理120min，得到诱导活化后的氟化碳样品，得到的样品呈深黑色。

实施例5

一种等离子体诱导活化氟化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、称取10g的氟化碳粉末，放置于等离子体增强化学气相淀积(pecvd)设备的管式炉腔体中，使其距离等离子体发生器50cm，然后向炉内通入氩气和乙炔作为诱导气体，氩气的气流量为40ml/min，乙炔的气流量为10ml/min，通入时间为10min，以排出管内空气；

步骤2、启动真空泵，对腔体进行抽真空处理，调节诱导气体的总流量为20～30ml/min，使得腔体内真空度在10～20pa范围内维持30min，然后，启动等离子体激发源，在50w的功率下进行等离子体诱导处理60min，得到诱导活化后的氟化碳样品，得到的样品呈深黑色。

图1为诱导处理前的氟化碳原材料在不同放大倍率下的sem图，表明氟化碳原材料呈颗粒状并且表面光滑。由于氟化碳原材料导电性差，使得二次电子聚集，导致sem图较为明亮。

图2为实施例3步骤2得到的诱导活化后的氟化碳材料在不同放大倍率下的sem图；图2表明实施例3得到的氟化碳材料表面光滑，改性后的氟化碳材料为5-20μm大小的块体，而单个块体又存在分层的形貌。与图1相比，图2等离子体处理后的样品的基本形貌并未改变，但导电性差使得二次电子聚集的情况得以改善。

图3为诱导处理前的氟化碳原材料与实施例3得到的诱导活化后的氟化碳材料在不同放大倍率下的tem图；氟化碳原样和等离子体诱导活化后的氟化碳样品进一步使用tem表征观察，在所有的样品中都可以观察到一个典型的二维分层结构，并且在样品的边缘都有透明、起皱、清晰、壁薄。其中，等离子体诱导活化后的氟化碳样品tem图(d)、(e)、(f)与氟化碳原样tem图(a)、(b)、(c)相比有明显的破碎现象。

图4为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料的xrd图。图3表明四种氟化碳样品的衍射峰均存在于2θ＝14.8°,40.8°,73.5°；其中在2θ＝40.8°和73.5°的衍射峰分别对应于氟化碳c-c的(001)面和c-c的(100)面；在2θ＝14.8°时存在一个c-f的(002)面衍射峰。xrd测试结果证明了等离子体处理不会改变样品的物相结构。

图5为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料的热重曲线；通过tg测试结果初步分析了样品的稳定性变化。随着等离子体处理时间的增加，导致更多的氟被去掉，因此热重曲线展现了降低的趋势。

图6为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料的xps图；xps测试发现，等离子体处理后，样品的c-c峰呈现了明显的加强，表明小部分的氟被去掉。半离子c-f键的含量随着等离子体诱导时间的增加而增加，诱导30min到诱导60min时增加的幅度不高，可见已趋近极限。共价型c-f键分析：在不同诱导时间下的样品，活性共价型c-f和c-f2键的含量基本上占主要(45％-76％)；非活性的共价型c-f3随着诱导时间的增加，其所占的比例逐渐降低。

电池的组装：

将实施例1、实施例2和实施例3得到的诱导活化后的氟化碳样品与导电剂科琴黑、粘结剂pvdf以质量比8:1:1的比例制备浆料，均匀的涂覆在集流体铝箔上，并在80℃下真空干燥12h得到正极片。然后在手套箱中，以金属锂为负极，新型氟化碳电极片为正极，在手套箱中组装成纽扣电池，再搁置24h等待测试。

图7为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料组装的电池的1c放电曲线；通过对比可以看出，等离子体处理后的样品cf-10、cf-30和cf-60在1c下展现的性能都较氟化碳原样cf好，其中cf-10电压平台较高，但cf-60的样品展现了最好的性能，截止到1v时，比容量可达853mah/g，比能量可达1450.16wh/kg。

图8为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料组装的电池的0.01c放电曲线；通过对比可以看出，等离子体处理60min后的样品cf-60在0.01c下展现了最好的性能，电压平台较平稳达到2.44v，截止到1.5v时，比容量可达847mah/g，比能量可达2014.3wh/kg。

图9为实施例1～3得到的诱导活化后的氟化碳材料组装的电池的eis曲线；曲线中出现的半圆表示li+的嵌入电阻，直线的斜率表示li+的扩散电阻。从图中可以看出，随着等离子体诱导处理时间的增加，li+的嵌入电阻和扩散电阻有所减小。

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