邱健蓄电池用于锂/钠/钾一次电池的高性能氟化科琴黑正极

氟化碳（CF_x）展现出优异的电化学性能，兼具高能量密度与高功率密度。迄今为止，针对氟化科琴黑（FKB）正极材料的研究仍相对匮乏。本研究直接对KB进行氟化处理，制备了一系列FKB材料，并作为原电池正极进行系统研究。具体而言，在Li/CF_x电池系统FKB-095展现出卓越的电化学性能，在16000 mA/g（约20C）电流密度下实现697.76 mAh/g的比容量，容量保持率达87.83%（相对于8 mA/g基准），同时具有37130.41 W/kg的高功率密度，使其适用于高功率场景。即便在-30°C低温环境及4000 mA/g高电流密度条件下，仍能维持426.8 mAh/g的高比容量，容量保持率为58.28%（相对于25°C基准），显示出优异的低温性能。研究进一步揭示了FKB-锂电池以LiF为主要产物的转化反应放电机制。此外，首次将FKB正极材料拓展应用于钠一次电池（SPBs）与钾一次电池（PPBs）的性能研究。本工作为高性能一次电池的研发提供了创新性见解。

引言

与锂二次电池相比，锂原电池在相同体积或重量条件下展现出更优异的储能能力，即具有更高的能量密度[[1], [2], [3]]。Li/CF_x电池体系是一种采用金属锂作为负极、CF_x材料作为正极，并采用非水有机溶剂作为电解质的锂原电池构型。追溯至20世纪70年代，CF_x材料首次被用作锂电池的正极材料。当x值为1时，CF_x该正极材料展现出高达2180 Wh/kg的理论比能量[[4], [5], [6]]。理论上，锂/聚一氟化碳_x电池体系不仅具备高能量密度特性，还拥有稳定的高放电电压平台、宽工作温度范围及极低的自放电率。这些卓越的电化学性能使锂/聚一氟化碳_x电池在各类特种应用领域大放异彩[7]。在航空航天领域，锂/聚一氟化碳_x电池为旅行者号探测器等航天器提供持久电力支持，确保其在太空中的稳定运行[8]。在医疗领域，心脏起搏器等医疗植入装置也受益于Li/CF电池的高能量密度和低自放电率，为患者提供更安全可靠的医疗装备电源[9]。%% 此外，在军事装备领域，Li/CF_x锂/氟化碳（Li/CF_x）电池已成为单兵作战系统等关键设备的理想动力源，为士兵提供强劲的能源保障[10]。尽管锂/氟化碳电池展现出诸多优势..._x在电池系统中，碳氟化合物仍面临多项技术挑战。实际应用中，由于碳氟化合物本征导电性较差，该电池系统存在放电电压平台相对较低、倍率性能欠佳以及低温环境适应性差等问题[[11], [12], [13]]。关于其放电机制，具体反应过程尚未完全阐明，仍需进一步深入研究[14,15]。_x此外，考虑到全球锂资源有限且分布不均，寻找和开发新型高性价比电化学储能系统已成为一项紧迫任务[16,17]。
碳源材料的选择对氟化碳材料的骨架结构具有决定性影响，因为不同碳源会导致形成具有显著结构差异的氟化碳材料[18]。碳源中固有的缺陷（如空位）可通过空间位阻效应显著改变氟化程度[19]。此外，碳前驱体的结构特性（如粒径和孔隙结构）对导电性和锂...⁺扩散，从而影响Li/CF的倍率能力和容量性能[12,20]。_x因此，碳源材料的选择对提升CF材料的性能起着极为关键的作用[21,22]。_x materials [21,22].
科琴黑（Ketjen black）是一种高导电性、高比表面积的纳米结构炭黑，其通过共价键或范德华力交联支链状纳米碳颗粒形成三维网络结构[23,24]。科琴黑颗粒表面富含活性位点，其发达的孔隙系统赋予材料极大的比表面积[[25],[26],[27]]。科琴黑丰富的表面官能团可实现氟原子的高效键合，为氟化反应提供了理想的碳基底[28,29]。
基于上述考量，本研究选用科琴黑作为氟化反应碳源制备氟化科琴黑（FKB）正极材料[30]。针对Li/CF电池面临的挑战开展探索性研究_x电池。研究采用多种物理表征技术系统探究了氟化温度对材料结构的多维度影响，为后续材料设计与性能优化提供了有力支撑。为考察FKB-Li电池在多变环境温度条件下的电化学性能，实验进行了恒流放电测试，并分析了FKB-Li电池在不同温度下的性能演变规律。通过电化学测试方法结合放电前后电极的物理表征，探究了FKB-Li电池的放电机制。鉴于锂资源的稀缺性，本研究将FKB正极材料应用于钠一次电池（SPBs）和钾一次电池（PPBs），以探索具有成本效益的氟化碳电池体系。系统研究了FKB-Na和FKB-K电池的电化学性能。