CN110148747B - 一种具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法。其包括下列步骤：将铝基金属有机框架材料在惰性气体氛围中进行高温碳化，然后冷却至室温，获得氟化碳前驱体碳源；将氟化碳前驱体碳源置于反应釜进行干燥，然后通入由氟气和氮气组成的混合气体，之后在加热条件下进行氟化反应，真空干燥后得到氟化碳正极材料粗产物，最后使用氢氟酸洗去其中的金属氟化物，获得氟化碳正极材料作为最终产物。本发明优点：原料成本低、氟化温度低、操作简单且碳源结构形貌可以通过合成条件进行调控；氟化碳正极材料具有横向或纵向的碳层结构，可以有效防止氟化碳电池放电过程中的膨胀现象，可应用于锂离子电池等领域，具有非常好的应用前景。

Description

一种具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于碳材料合成技术领域，特别是涉及一种具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法。
背景技术
氟化碳材料具有巨大的应用价值，可广泛应用于锂电池正极材料、固体润滑剂、脱模剂、防水憎油材料、表面漆等领域，其中，作为锂电池正极材料制备的锂氟化碳电池在现有一次电池中具有最高的理论能量密度，因此，锂氟化碳电池被认为是未来一次电池的主要替代品。
现有锂氟化碳电池在放电过程中伴随着体积膨胀，而约束其体积膨胀不可避免会造成电池内部产生较大的应力。研究表明，随着氟化碳材料放电的进行会不断产生非晶态的LiF，LiF在活性炭内表面沉积，LiF在碳内表面的沉积是导致电极膨胀的直接原因。计算结果表明，放电前CF1.0材料密度为2.8g/cm3，放电后生成的LiF密度为2.65g/cm3，碳密度为2.0g/cm3，全容量放电体积膨胀预计为41％。因此，氟化碳电极的膨胀问题是影响其广泛应用的主要因素之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)将铝基金属有机框架材料在惰性气体氛围中进行高温碳化，然后冷却至室温，获得氟化碳前驱体碳源；
(2)将上述制备的氟化碳前驱体碳源置于反应釜进行干燥，然后通入由氟气和氮气组成的混合气体，之后在加热条件下进行氟化反应，真空干燥后得到氟化碳正极材料粗产物，最后使用氢氟酸洗去其中的金属氟化物，获得氟化碳正极材料作为最终产物。
在步骤(1)中，所述的铝基金属有机框架材料选自MIL-53(Al)和Al(OH)(1,4-NDC)·2H2O中的至少一种。
在步骤(1)中，所述的高温碳化的升温速度为1-5℃/分钟，碳化温度为600-1000℃。
在步骤(2)中，所述的混合气体中氟气和氮气的体积分数百分比为10-40:60-90。
在步骤(2)中，所述的干燥温度为150℃，氟化反应的温度为300-400℃，氟化反应时间为2-6小时。
本发明提供的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法的主要技术原理：由于铝基金属有机框架材料碳化后可以形成横向或纵向分布的碳层结构，且碳层之间具有较大缓冲空间，因此，以该材料作为碳源，氟化后可获得具有抗正极膨胀功能的氟化碳材料。
与现有技术相比，本发明提供的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法具有如下优点：(1)本发明所采用的原料成本低、氟化温度低、操作简单且碳源结构形貌可以通过合成条件进行调控；(2)本发明制备的氟化碳正极材料具有横向或纵向的碳层结构，可以有效防止氟化碳电池放电过程中的膨胀现象，可应用于锂离子电池等领域，具有非常好的应用前景。
附图说明
图1是本发明采用碳化后铝基金属有机框架材料MIL-53(Al)为碳源制备的氟化碳的透射电镜图。
图2是本发明采用碳化后铝基金属有机框架材料Al(OH)(1,4-NDC)·2H2O为碳源制备的氟化碳的透射电镜图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
实施例1
本实施例提供的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)将1.0g MIL-53(Al)在氮气氛围中进行高温碳化，升温速度为5℃/分钟，碳化温度为1000℃，然后冷却至室温，获得氟化碳前驱体碳源；
(2)将上述制备的氟化碳前驱体碳源置于反应釜中，在150℃的温度下进行干燥，然后通入由体积分数为25％的氟气和75％的氮气组成的混合气体，升温至350℃，氟化反应4小时，真空干燥后得到氟化碳正极材料粗产物，最后使用氢氟酸洗去其中的金属氟化物，获得具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料。经投射电镜测试该材料为片层堆叠结构，见图1，经软包电池放电测试，正极膨胀率小于1.3％。
实施例2
本实施例提供的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)将1.0g Al(OH)(1,4-NDC)·2H2O在氮气氛围中进行高温碳化，升温速度为5℃/分钟，碳化温度为1100℃，然后冷却至室温，获得氟化碳前驱体碳源；
(2)将上述制备的氟化碳前驱体碳源置于反应釜中，在150℃的温度下进行干燥，然后通入由体积分数为25％的氟气和75％的氮气组成的混合气体，升温至350℃，氟化反应4小时，真空干燥后得到氟化碳正极材料粗产物，最后使用氢氟酸洗去其中的金属氟化物，获得具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料。经投射电镜测试该材料为片层堆叠结构，见图2，经软包电池放电测试，正极膨胀率小于1.7％。

Claims (5)

1.一种具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
(1)将铝基金属有机框架材料在惰性气体氛围中进行高温碳化，然后冷却至室温，获得氟化碳前驱体碳源；
(2)将上述制备的氟化碳前驱体碳源置于反应釜进行干燥，然后通入由氟气和氮气组成的混合气体，之后在加热条件下进行氟化反应，真空干燥后得到氟化碳正极材料粗产物，最后使用氢氟酸洗去其中的金属氟化物，获得氟化碳正极材料作为最终产物。
2.根据权利要求1所述的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的铝基金属有机框架材料选自MIL-53(Al)和Al(OH)(1,4-NDC)·2H2O中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的高温碳化的升温速度为1-5℃/分钟，碳化温度为600-1000℃。
4.根据权利要求1所述的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的混合气体中氟气和氮气的体积分数百分比为10-40:60-90。
5.根据权利要求1所述的具有抗膨胀功能的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的氟化碳前驱体碳源的干燥温度为150℃，氟化反应的温度为300-400℃，氟化反应时间为2-6小时。
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