本發(fā)明涉及新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氟化碳及其制備方法和在鋰電池陰極材料、超級(jí)電容器上的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

在社會(huì)發(fā)展需求和潛在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，基于新概念、新材料和新技術(shù)的化學(xué)電源新體系不斷涌現(xiàn)。眾所周知，電池是通過(guò)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)將活性物質(zhì)內(nèi)儲(chǔ)存的化學(xué)能直接通過(guò)電子的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換成電能的裝置。電池的輸出電壓和能量密度主要取決于正極和負(fù)極的反應(yīng)活性物質(zhì)，而電極反應(yīng)活性物質(zhì)的電負(fù)性是影響電池性能的最重要因素。

氟是非常獨(dú)特的元素，位于元素周期表右上方，它賦予含氟材料和含氟化學(xué)品許多優(yōu)異的性質(zhì)和功能，在國(guó)防、信息、汽車和生命工程等高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，越來(lái)越起到材料支撐和聯(lián)動(dòng)作用，國(guó)家已將氟化工產(chǎn)業(yè)列為鼓勵(lì)發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

由于氟氣有毒，且氧化性太強(qiáng)，所以一般采用氟化物作為正極材料，如氟化碳材料。氟化碳的制備方法主要有高溫氣相氟化法、低溫氟化法、等離子體法和電解合成法等。目前具有產(chǎn)業(yè)化的方法為高溫氣相氟化法，由于此工藝是由活潑性極高的劇毒單質(zhì)氣體氟作為關(guān)鍵原料，且關(guān)于氟化碳材料的關(guān)鍵技術(shù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道較少，因此合成氟化碳具有一定的危險(xiǎn)性，制備難度較高。目前合成氟化碳的技術(shù)工藝主要掌握在日本、美國(guó)和俄羅斯，而在我國(guó)該領(lǐng)域起步較晚，屬于新興起的重要功能性高新技術(shù)領(lǐng)域。氟化碳材料是氟與碳直接在高溫下反應(yīng)生成的石墨插層化學(xué)物。碳材料的氟化要追溯到幾十年前，從最早的氟化石墨到氟化富勒烯、氟化單壁碳納米管、氟化多壁碳納米管，再到氟化石墨烯。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)獲得了多種不同結(jié)構(gòu)和不同物理化學(xué)性質(zhì)的氟化碳材料。碳材料結(jié)構(gòu)的不同，將導(dǎo)致氟化碳材料結(jié)構(gòu)的不同，進(jìn)而使其物理化學(xué)性能有所不同。研究發(fā)現(xiàn)，部分氟化和半離子化的氟化碳材料具有高于氟化石墨0.3~0.5v的高電壓及高功率特性，此項(xiàng)研究最早可追溯到1989年法國(guó)科學(xué)家hamwi教授通過(guò)在f2+hf+if5混合體系下對(duì)石墨進(jìn)行氟化，在室溫條件下制備了具有高電壓特性的氟化碳材料，但由于此工藝是在室溫下制備的，所制備的氟化碳材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，儲(chǔ)存性能較差，從而限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此亟需開(kāi)發(fā)一種具有產(chǎn)業(yè)化前景的制備具有高電壓特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的氟化碳及其制備工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明的目的在于提供一種氟化碳及其制備方法和在鋰電池、超級(jí)電容器上的應(yīng)用，該制備方法簡(jiǎn)單，所制得的氟化碳具有較高電壓特性，且其結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種氟化碳，其具體技術(shù)方案如下：一種氟化碳，所述氟化碳由碳粉通過(guò)化學(xué)反應(yīng)法對(duì)其進(jìn)行氟化制備而得，所述碳粉中各元素的質(zhì)量百分比分別為：c為80%～98%，n為0%～10%，h為0%～5%，o為0%～10%；優(yōu)選為：c為85%～95%，n為0%～6%，h為0%～3%，o為0%～6%；更優(yōu)選為：c為90%～95%，n為2%～6%，h為0%～3%，o為1%～5%。

進(jìn)一步的，所制得的氟化碳中各元素的質(zhì)量百分比分別為：c為35%～60%，f為40%～65%。

進(jìn)一步的，所述化學(xué)反應(yīng)法采用高溫氣相氟化法，也可以采用插層法、水熱剝離法等。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備上述氟化碳的制備方法，其技術(shù)方案如下：一種氟化碳的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：將碳粉放入氟化設(shè)備中，其中，碳粉中各元素的質(zhì)量百分比分別為：c為80%～98%，n為0%～10%，h為0%～5%，o為0%～10%；

步驟2：對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟源，在400～700℃和100～500kpa下反應(yīng)6～24h，即可得到氟化碳。

進(jìn)一步的，所述氟源為氟氣、氟氣/惰性氣體混合氣、氣相氟化物中的一種或多種。

進(jìn)一步的，所述氟氣的純度為98%～99.9%。

進(jìn)一步的，所述氟氣/惰性氣體混合氣中的惰性氣體為氮?dú)?、氦氣、氬氣中的一種或多種。

進(jìn)一步的，所述氣相氟化物優(yōu)選為三氟化氮、三氟化硼或二氟化氙，也可以是三氟化磷、三氟化溴、三氯化磷、硫酰氟、亞硫酰氟等中的一種或多種。

本發(fā)明的又一目的在于提供，將所制得的氟化碳應(yīng)用在鋰電池陰極材料或超級(jí)電容器上，也可以應(yīng)用在高溫涂層、抗磨潤(rùn)滑涂層等方面。

采用上述技術(shù)手段，本發(fā)明具有以下有益效果：采用具有不同組分含量的碳粉（所含有的碳量較低）與氟源在一定的條件下進(jìn)行反應(yīng)制得氟化碳，此種制備方法簡(jiǎn)單，而且可獲得較高電壓特性和結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的氟化碳，其作為鋰電池陰極材料時(shí)，其放電電壓平臺(tái)大于2.9v（vs.li⁺/li），明顯高于現(xiàn)有商品化氟化石墨的放電電壓平臺(tái)2.6v（vs.li⁺/li），具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明采用氟化碳（c為44.1%，f為55.9%）為陰極制備鋰電池的不同電流密度放電曲線；

其中，橫坐標(biāo)為比容量（specificcapacity/mah·g^-1），縱坐標(biāo)為電位potential，v(vs.li⁺/li)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合一些具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c含量80%，n含量8%，h含量5%，o含量為7%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟化氣體三氟化氮，保持壓強(qiáng)200kpa，在450℃條件下反應(yīng)12h，得到13.9g氟化碳，其中c含量為57.6%，f含量為42.4%，放電電壓平臺(tái)為3.1v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例2

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c含量85%，n含量8%，h含量4%，o含量為3%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟化氣體三氟化氮，保持壓強(qiáng)300kpa，在550℃條件下反應(yīng)16h，得到17.4g氟化碳，其中c含量為48.8%，f含量為51.2%，放電電壓平臺(tái)為3.0v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例3

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c含量94%，n含量4%，h含量2%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟化氣體三氟化氮，保持壓強(qiáng)400kpa，在600℃條件下反應(yīng)16h，得到21.3g氟化碳，其中c含量為44.1%，f含量為55.9%，放電電壓平臺(tái)為3.0v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例4

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c含量95%，n含量4%，h含量1%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟化氣體nf3，保持壓強(qiáng)500kpa，在650℃條件下反應(yīng)24h，得到25.5g氟化碳，其中c含量為37.2%，f含量為62.8%，放電電壓平臺(tái)為2.9v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例5

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c含量80%，n含量5%，h含量5%，o含量為10%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟氣含量為20%的氟氣/氬氣混合氣體，保持壓強(qiáng)300kpa，在550℃條件下反應(yīng)12h，得到13.9g氟化碳，其中c含量為57.4%，f含量為42.6%，放電電壓平臺(tái)為3.1v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例6

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c含量93%，n含量2%，h含量2%，o含量為3%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟氣含量為20%的氟氣/氬氣混合氣體，保持壓強(qiáng)300kpa，在600℃條件下反應(yīng)12h，得到21.3g氟化碳，其中c含量為43.6%，f含量為56.4%，放電電壓平臺(tái)為3.1v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例7

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c含量90%，n含量5%，h含量2%，o含量為3%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入純度為99.9%的氟氣，保持壓強(qiáng)400kpa，在600℃條件下反應(yīng)12h，得到21.1g氟化碳，其中c含量為42.7%，f含量為57.3%，放電電壓平臺(tái)為2.9v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例8

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c含量93%，n含量2%，h含量2%，o含量為3%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟化含量為20%的氟氣/氮?dú)饣旌蠚怏w，保持壓強(qiáng)500kpa，在700℃條件下反應(yīng)12h，得到24.6g氟化碳，其中c含量為37.8%，f含量為62.2%，放電電壓平臺(tái)為2.9v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例9

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c為94%，n為3%，h為1%，o為2%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟化氣體三氟化氮，保持壓強(qiáng)500kpa，在700℃條件下反應(yīng)12h，得到26.7g氟化碳，其中c含量為35.2%，f含量為64.8%，放電電壓平臺(tái)為2.9v(vs.li⁺/li)。

實(shí)施例10

（1）將10g碳粉放入氟化設(shè)備，其c為94%，n為3%，h為1%，o為2%；

（2）對(duì)氟化設(shè)備進(jìn)行抽真空，使其真空度達(dá)到-0.01mpa，通入氟化氣體二氟化氙，保持壓強(qiáng)500kpa，在600℃條件下反應(yīng)12h，得到20.8g氟化碳，其中c含量為45.1%，f含量為54.9%，放電電壓平臺(tái)為3.0v(vs.li⁺/li)。

選取上述實(shí)施例3所制得的氟化碳進(jìn)行性能測(cè)試，步驟如下：

（1）采用涂漿法來(lái)制備電極：按質(zhì)量比計(jì)，稱取氟化碳﹕乙炔黑﹕粘結(jié)劑=85﹕10﹕5，球磨混均，涂在處理過(guò)的鋁箔上，于110℃烘干，在20mpa下壓制成型。

（2）以上述制得的氟化碳電極為陰極，金屬鋰為陽(yáng)極，cellgard2400為隔膜，電解液為1mol/llipf6的乙烯碳酸酯（ec）/碳酸二甲酯（dmc）溶液，組裝成cr2025扣式電池，在land電池測(cè)試系統(tǒng)(武漢市藍(lán)電電子有限公司)上進(jìn)行恒電流電化學(xué)性能測(cè)試，放電截至電位為1.5v（vs.li⁺/li），測(cè)試結(jié)果分別如圖1所示（圖1為實(shí)施例3所制得的氟化碳的測(cè)試結(jié)果）。

從圖1中，可得出結(jié)論：在電流密度為20ma/g條件下，具有2113wh/kg的比能量，已經(jīng)接近氟化石墨的理論比能量2180wh/kg，其電壓平臺(tái)可達(dá)到3.0v，高于氟化石墨的2.6v；電流密度為2a/g條件下，具有1456wh/kg的比能量；從上述測(cè)試結(jié)果得出，通過(guò)上述方法制備的氟化碳具有較高的比能量和高比功率放電性能，較商業(yè)化的氟化石墨有明顯的提升。

對(duì)其它實(shí)施例所制得的氟化碳也同樣進(jìn)行了相關(guān)性能的測(cè)試，結(jié)果都顯示出比現(xiàn)有氟化石墨具有更高的電壓平臺(tái)、比能量和比功率。

盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。