纤维化中的硒调控能带结构工程x阴极支持高功率和宽温的Li/CFx一次邱健蓄电池

锂/碳纤维_x初级电池以其卓越的能量密度著称，但其实际部署受限于碳纤维本身较慢的动力学_x阴极。本研究通过将硒（Se）纳入囊性纤维化（CF）来解决这一限制_x（记作CF_x通过简单的低温热处理，显著提升了其电化学性能。全面的光谱和电化学分析表明，Se掺杂会诱导CSe键的形成，促进半离子C-F键，从而加速锂扩散并降低电荷转移阻抗。密度泛函理论的计算进一步表明，Se掺杂会调制CF的电子结构⁺_x缩小了带隙，建立了高效的导电网络，显著提升了电子导电性。优化后的CF_x/Se-1 复合体（Se：CF_x= 1：9）性能卓越，放电容量达383.9 mAh g⁻¹在20安培高的电流密度下⁻¹能量密度为765.7 Wh kg。⁻¹功率密度为3.99×10⁴W kg⁻¹.此外，CF_x/Se-1 表现出卓越的宽温操作能力（−35 至 60 °C），容量为 485.3 mAh g。⁻¹在0.5安培时⁻¹即使在−35°C下，电压稳定为2.0伏。 这项工作强调了Se掺杂在调整囊性纤维化带结构中的关键作用_x释放了其在高功率和极端温度锂/碳纤维领域的潜力_x电池。

图形摘要

Se并入CF_x阴极促进了额外的半离子C-F键的生成，使放电容量达到383.9 mAh g。⁻¹在20安克高电流密度下⁻¹能量密度为765.7 Wh kg。⁻¹功率密度为3.99×10⁴W kg⁻¹.

锂一次性电池因其较长的储存寿命和高能量密度，在军事、航空航天和医疗器械等专业领域发挥着关键作用[1,2]。在锂初级电池中，锂/氟碳（Li/CF_x）一次级电池，使用氟化碳（CF_x）作为阴极，锂金属作为阳极，因其理论比能密度高达2180 Wh kg而显著突出⁻¹，稳定的排放特性，宽广的工作温度范围（−60°C至160°C），以及超过十年的储存寿命[3]。尽管如此，李/CF_x电池仍面临初始电压延迟、速率能力有限以及低温环境下性能显著下降等挑战[[4]， [5]， [6]]。
Li/CF的性能_x电池的特性会显著影响碳纤维的特性_x包括其显微结构、氟含量以及C-F键的类型[7]。在调控和优化囊性纤维化特征方面，已投入大量努力_x通过多种策略进行阴极处理，如选择和优化碳前体[8,9]、推进氟化过程[10,11]、表面修饰[[12]、[13]、[14]]、元素掺杂[[15]、[16]、[17]]、与金属离子或其他材料的合成[[18]、[19]、[20]]以及调节层间距[21]。通常，CF_x材料中含有不同类型的氯氟键混合物，根据键长可分为共价键（1.4 Å）、半离子键（1.7 Å）和离子键（3.0 Å）[22]。其中，CF_x材料 SP为³杂交共价C-F键电导率最低，导致开路电压低且速率性能较差。相比之下，CF_x以半离子和离子C-F键为主导的材料展现出更优越的电化学性质[23,24]。因此，控制CF中C-F键的类型和比例_x材料是一种直接且有效的方法，可以提升Li/CF的电化学性能_x电池[25]。例如，Luo等人通过表面脱氟和氮掺杂显著提升了氟化石墨烯纳米片（DFGN）的放电率和功率密度，这些方法产生了可控导电纳米层并精确调整了C-F键[26]。Yan等人有效地提高了CF中半离子键的比例_x通过氟化处理并加入氮元素和磷元素，显著提升了高速性能[7]。周集团报告了一种气相氟化方法，能够精确控制氟化石墨烯中的F/C比和C-F键类型，从而获得Li/CF更优越的正极材料_x电池[27]。尽管取得了这些进步，Li/CF_x电池在同时实现高放电比容量和卓越速率能力方面仍面临重大挑战。
其中，硒（Se）被战略性地掺入CF_x材料（记作CF_x通过简单的一步低温热处理，/Se）来构建锂/碳的高性能阴极_x电池。值得注意的是，Se具有1×10的高电导率⁻³S m⁻¹以及675 mAh g的相当大锂储存容量⁻¹.优化后的CF_x/Se-1 复合体（Se：CF_x= 1：9）展现了卓越的电化学性能，提供了卓越的放电比容量847.6 mAh g。⁻¹在电流密度0.01安培时⁻¹以及383.9mAh g⁻¹在20安克超高电流密度下⁻¹.值得注意的是，CF_x/Se-1复合材料实现了765.7 Wh kg的惊人能量密度⁻¹功率密度为3.99×10⁴W kg⁻¹20安培加力⁻¹与纯碳纤维相比，能量密度提升了69.3%。_x材料（452.3 Wh kg⁻¹).结合实验表征和理论计算表明，Se的掺入促进了有利的半离子C-F键的形成，并诱导CF内的电荷重新分布_x/Se复合，显著增强了电子和离子输运动力学。The CF_x/Se-1复合材料不仅保持了高放电比容，还展现出优越的速率能力，为提升锂/氟化物性能提供了新颖策略_x电池。