NCM封面文章|天津大学封伟教授：我国氟化碳材料的基础研究现状及发展趋势

背景介绍

探索浩瀚宇宙，无际深海，发展植入智能设备，迈向“体联网”新时代，氟化碳材料在这些高新技术领域发挥了重要作用。我国发射的“天问一号”火星探测器采用了锂氟化碳电池作为进入舱电源，为火星探测提供能源保障。此外，氟化碳材料在固体润滑、超疏水涂层、耐候涂料、半导体、火箭固体推进剂以及核反应堆中子减速剂等领域也有应用研究，是现今国际上高科技、高性能、高效益的新型碳基材料研究热点之一，氟化碳材料生产和优化是提升我国科技水平的关键一环。

然而，由于氟化碳的应用涉及高科技军事敏感领域，日本和美国一直视为技术机密，不对外进行技术输出和交流，我国氟化碳材料的研究起步较晚，因此氟化碳材料制备技术成了我国的一项“卡脖子”技术。如今，科技创新作为国家发展全局的核心，尽快突破关键核心技术，努力实现关键核心技术自主可控是时代赋予科研工作者的使命和责任。从目前国内外的研究现状来看，已有氟化碳材料的性能表现有望实现进一步突破、氟化碳材料的生产能力与应用场景有待进一步提升。因此，瞄准世界科技前沿开发和扩大生产新型氟化碳材料，是加快实现高水平科技自立自强的必由之路，更是夯实世界科技强国建设根基的必然要求。

主要内容

天津大学封伟教授团队长期从事氟化碳材料的基础研究和产业化发展工作，近期在《新型炭材料（中英文）》(New Carbon Materials)上发表了题为“Status and development trends for fluorinated carbon in China”的综述文章。该论文以氟化碳材料的结构和性质为基础，分别从化学能源、摩擦润滑和半导体等领域的应用综述了近年来我国氟化碳材料的基础研究现状和发展趋势（图1）。同时，还介绍了我国氟化碳材料的产业化进程，指出目前在民用领域受限的主要原因，提出了当前氟化碳在不同应用领域存在的问题和未来发展机遇，为氟化碳材料的进一步扩大生产和实际应用提供方向。

图 1 图文摘要

近年来氟化碳发展的主要牵动引擎是高能锂原电池。氟化碳电池具有比能量高，存储寿命长的特点，目前的性能短板是低温和倍率，这是因为氟化碳材料本身导电性较差造成的，也是进一步提高氟化碳电池性能的重点。目前的性能提升策略涵盖了材料结构优化，新型电解液开发和电池各组件性能提升等方面。

封伟团队通过碳源筛选和氟化路径优化构建高氟含量正极材料，F/C可达1.17，作为正极材料用于Li/CF_x电池中，同时实现了高的比容量和高的放电电位，软包电池电化学性能如图2所示，能量密度最高可达2585.43 Wh/kg（电流密度为10 mA/g）。

图 2 氟化煅烧澳洲坚果壳放电曲线

另外，从电池性能优化和制造成本的角度出发，封伟团队采用预混合和分层涂布的方法，提出了平行结构氟化碳和具有相对优异功率特性的二氧化锰复合正极，在提高电极导电性的同时降低了氟化碳电池成本，进一步有效的提高了电池的倍率性能（图3）。

图 3 氟化碳和二氧化锰复合正极的分布及对应性能对比

总结和展望

目前，已有国内企业具备了氟化碳的生产能力，但在面对未来更大规模的用量和多层次的需求，我国氟化碳仍面临保供能力不足，需要长期依赖进口的局面。这需要扩大生产规模，完善产品检测指标和相应标准，优先突破需求规模大的产品批量生产制备和快速检测技术加强氟化碳材料上下游产业链建设，通过合作和信息互通同步提高整条产业链发展速度，产业链完善才能真正实现高品质多品类氟化碳材料的生产，做到氟化碳材料自主可控。

总之，我国氟化碳材料的开发和应用方面已取得了显著的进展，能够实现批量的生产，但目前主要作为高端材料满足军工需求，未来民用市场仍具有很大的发展潜力。通过推动大量合成/生产、精细氟化、C-F键特征的均匀性、C-F键类型的可控性和更宽范围的F/C比控制技术来实现性能的大幅提升，从而使得氟化碳材料将在不同的应用场景下发挥更重要的作用。希望各高等科研院校积极主动与各类上下游企业通力合作推进成果转化，为我国氟化碳材料的自主可控做出积极贡献。

文章信息

FENG wei. Status and development trends for fluorinated carbons in China[J]. New Carbon Mater. 2023，38(1): 130-142.

阅读原文链接：

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(23)60716-4

通讯作者简介

封伟，天津大学教授。国家“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金获得者，科技部中青年创新领军人才, 第二批天津市杰出人才，天津市“131”创新型团队负责人，英国皇家化学会会士(FRSC)，日本JSPS学术振兴委员会高级访问学者，国务院政府特殊津贴专家。任第七届、第八届教育部科技委委员、中国复合材料学会导热复合材料专委会首任主任委员。主要从事功能碳复合材料、高导热功能复合材料、光热能转换存储材料、高性能氟化碳材料方向研究，成果在Chem. Soc. Rev.、Nat. Comm.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表文章200余篇，国内外专利80多件。以第一获奖人身份获得教育部、天津市等省部级一等奖3项。

期刊信息

《新型炭材料（中英文）》      

SCI-E、EI收录期刊与中文核心期刊

影响因子：3.7（2021年度）

国内官网：http://xxtcl.sxicc.ac.cn/

国际版主页：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

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