CN114927672A - 一种具有高比容量硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高比容量硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，属于氟化碳材料制备技术领域。硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，包括以下步骤：利用剪切辅助的超临界CO2将球磨后的碳化硼剥离，通入三氟化氮气体，加热反应，得到所述硼掺杂的氟化碳正极材料。本发明以剪切辅助的超临界CO2剥离的碳化硼材料为原料，通入等离子体辅助的三氟化氮气体制备硼掺杂的氟化碳正极材料，显著提高了硼掺杂的氟化碳正极材料的结构稳定性。

Description

一种具有高比容量硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及氟化碳材料制备技术领域，特别是涉及一种具有高比容量硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法。
背景技术
锂/氟化碳电池是以金属锂为负极，氟化碳为正极材料组成的电池。相比于其他锂原电池，锂/氟化碳电池是现有比能量最高的一次电池(2180Wh kg-1)，锂/氟化碳电池具有电压稳定、自放电小、寿命长和工作温度宽(-60℃～180℃)等特点，可满足军用移动电台和航空航天等科技前沿领域。然而由于氟化碳的导电性差，并且氟化碳的表面能低、结构稳定性较差，电压平台快速下降，导致整体比容量较低。因此，迫切需要一种可以提高氟化碳表面能和结构稳定性的方法，从而提高锂/氟化碳电池的比容量。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高比容量硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，以解决现有技术中存在的问题，以碳化硼为原料，通过剪切辅助的超临界CO2进行剥离，然后通入三氟化氮气体进行氟化处理，制备的得到硼掺杂的氟化碳正极材料，结构更加稳定，以其为原料制备的锂/氟化碳电池的比容量更高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：一种硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：利用剪切辅助的超临界CO2将球磨后的碳化硼剥离，通入三氟化氮气体，加热反应，得到所述硼掺杂的氟化碳正极材料。
其他硼源均以单质形式存在，而碳化硼(B4C)以化合物的形式存在，并且B4C中有四个B原子，利用率更高。
进一步地，所述三氟化氮气体为等离子辅助的三氟化氮气体。
三氟化氮气体，具有无毒、无腐蚀性、稳定性高的特点，并且经过等离子体化后，活性大幅度提升。
进一步地，所述球磨的转速为500～600r/min，球磨的时间为9～12h。
进一步地，所述加热反应的温度为350～550℃，时间为9～12h。
进一步地，所述加热反应的升温速率为3～10℃/min。
球磨时间短导致碳化硼材料研磨不充分，时间长会破坏碳化硼结构；球磨时间小于9h导致碳化硼材料研磨不充分，时间超过12h会破坏碳化硼结构
温度过低或过高，得到硼掺杂的氟化碳性能均会降低；温度小于350℃或550℃，得到硼掺杂的氟化碳性能均会降低。
升温速率过高或过低都会导致材料结晶性差从而降低材料性能；升温速率大于10℃/min或小于3℃/min都会导致材料结晶性差从而降低材料性能。
CO2储气瓶作为超临界流体源，为形成超临界CO2流体提供气体源。
更进一步地，剥离时的温度为40～100℃，压力为90～340bar。
超临界CO2除了具有高的扩散性和渗透性外，还具有相对较低的临界值温度(304.1K)和临界压力(7.38MPa)。超临界流体条件对剥离效果非常好，使得B4C被剥离为小的分子(纳米级小分子)。
本发明的技术方案之二：一种上述硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法制备的硼掺杂的氟化碳正极材料。
本发明的技术方案之三：一种上述硼掺杂的氟化碳正极材料在电池制备中的应用。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明以剪切辅助的超临界CO2剥离碳化硼材料为原料，通入等离子体辅助的三氟化氮气体制备硼掺杂的氟化碳正极材料，显著提高了硼掺杂的氟化碳正极材料的结构稳定性(结构越稳定，充放电过程体积膨胀越不明显，性能更好比容量更高)。
(2)以本发明制备的硼掺杂的氟化碳正极材料制备的电池的比容量得到显著提升。
(3)本发明的制备方法具有无毒、无腐蚀性、稳定性高的特点，并且经过等离子体化后，活性大幅度提升，由于硼原子的存在，提高了氟化碳的表面能从而提高了锂/氟化碳电池的比容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的硼掺杂的氟化碳正极材料的透射电镜图，其中，a为低倍透射电镜图，b为高倍透射电镜图；
图2为本发明实施例1制备的碳化硼剥离材料的透射电镜图，其中a为低倍透射电镜图，b为高倍透射电镜图；
图3为本发明实施例1制备的硼掺杂的氟化碳正极材料的放电曲线图；
图4为本发明实施例2制备的硼掺杂的氟化碳正极材料的放电曲线图；
图5为本发明实施例3制备的硼掺杂的氟化碳正极材料的放电曲线图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
(1)利用行星式球磨机球磨碳化硼材料，球料比为20：1，球磨转速为550r/min，球磨时间为12h，球磨结束后，得到球磨的碳化硼材料。
(2)将球磨的碳化硼材料与陶瓷球磨球混合后，利用剪切辅助的超临界CO2对球磨的碳化硼材料进行剥离，其中剥离温度为80℃，剥离压力为300bar，得到碳化硼剥离材料，透射电镜图见图2。
(3)在放置有碳化硼剥离材料的管式炉中通入等离子辅助的三氟化氮气体，以5℃/min的升温速率升温至450℃，保持12h，得到硼掺杂的氟化碳正极材料，透射电镜图见图1。
等离子辅助的三氟化氮气体的制备：将三氟化氮气体通过等离子处理仪，三氟化氮气体中的氟离子等离子体化为F·。
将本实施例制备的硼掺杂的氟化碳正极材料组装成锂/氟化碳电池，放电电压平台在2.75V左右，比容量为805mAh g-1，放电曲线图见图3。
从图2中可以看出，剥离后的碳化硼的粒径达到了纳米级别(图2a)，超临界剥离并未改变碳化硼的晶体结构(图2b)。
实施例2
一种具有高比容量硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法：
(1)利用行星式球磨机球磨碳化硼材料，球料比为20：1，球磨转速为500r/min，球磨时间为12h，球磨结束后，得到球磨的碳化硼材料。
(2)将球磨的碳化硼材料与陶瓷球磨球混合后，利用剪切辅助的超临界CO2对球磨的碳化硼材料进行剥离其中剥离温度为60℃，剥离压力为250bar，得到碳化硼剥离材料。
(3)在放置有碳化硼剥离材料的管式炉中通入等离子辅助的三氟化氮气体，以3℃/min的升温速率升温至350℃，保持12h，得到硼掺杂的氟化碳正极材料。
等离子辅助的三氟化氮气体的制备：将三氟化氮气体通过等离子处理仪，三氟化氮气体中的氟离子等离子体化为F·。
将本实施例制备的硼掺杂的氟化碳正极材料组装成锂/氟化碳电池，放电电压平台在2.6V左右，比容量为753mAh g-1，放电曲线图见图4。
实施例3
(1)利用行星式球磨机球磨碳化硼材料，球料比为20：1，球磨转速为600r/min，球磨时间为9h，球磨结束后，得到球磨的碳化硼材料。
(2)将球磨的碳化硼材料与陶瓷球磨球混合后，利用剪切辅助的超临界CO2对球磨的碳化硼材料进行剥离，其中剥离温度为100℃，剥离压力为340bar，得到碳化硼剥离材料。
(3)在放置有碳化硼剥离材料的管式炉中通入等离子辅助的三氟化氮气体，以10℃/min的升温速率升温至550℃，保持12h，得到硼掺杂的氟化碳正极材料。
等离子辅助的三氟化氮气体的制备：将三氟化氮气体通过等离子处理仪，三氟化氮气体中的氟离子等离子体化为F·。
将本实施例制备的硼掺杂的氟化碳正极材料组装成锂/氟化碳电池，放电电压平台在2.6V左右，比容量为678mAh g-1，放电曲线图见图5。
实施例4
(1)利用行星式球磨机球磨碳化硼材料，球料比为20：1，球磨转速为550r/min，球磨时间为10h，球磨结束后，得到球磨的碳化硼材料。
(2)将球磨的碳化硼材料与陶瓷球磨球混合后，利用剪切辅助的超临界CO2对球磨的碳化硼材料进行剥离，其中剥离温度为50℃，剥离压力为300bar，得到碳化硼剥离材料。
(3)在放置有碳化硼剥离材料的管式炉中通入等离子辅助的三氟化氮气体，以6℃/min的升温速率升温至450℃，保持12h，得到硼掺杂的氟化碳正极材料。
等离子辅助的三氟化氮气体的制备：将三氟化氮气体通过等离子处理仪，三氟化氮气体中的氟离子等离子体化为F·。
将本实施例制备的硼掺杂的氟化碳正极材料组装成锂/氟化碳电池，放电电压平台在2.4V左右，比容量为579mAh g-1。
经过实验研究发现，省略剪切辅助的超临界CO2进行剥离，无法进行后续实验。
对比例1
同实施例1，区别在于，步骤(2)具体为：将球磨的碳化硼材料、陶瓷球磨球以10：1混合后，以水溶液作为溶剂，以300r/min球磨9h进行剥离，其中剥离温度为40℃，剥离压力为90bar，得到碳化硼剥离材料。
将本对比例1制备的硼掺杂的氟化碳正极材料组装成锂/氟化碳电池，放电电压平台在2V左右，比容量仅为400mAh g-1。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：利用剪切辅助的超临界CO2将球磨后的碳化硼剥离，通入三氟化氮气体，加热反应，得到所述硼掺杂的氟化碳正极材料。
2.根据权利要求1所述的硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于，所述三氟化氮气体为等离子辅助的三氟化氮气体。
3.根据权利要求1所述的硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的转速为500～600r/min，球磨的时间为9～12h。
4.根据权利要求1所述的硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于，所述加热反应的温度为350～550℃，时间为9～12h。
5.根据权利要求4所述的硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法，其特征在于，所述加热反应的升温速率为3～10℃/min。
6.一种权利要求1～5任一项所述的硼掺杂的氟化碳正极材料的制备方法制备的硼掺杂的氟化碳正极材料。
7.一种权利要求6所述的硼掺杂的氟化碳正极材料在电池制备中的应用。
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