NCM封面文章|天津大學封偉教授：我國氟化碳材料的基礎研究現狀及發展趨勢

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背景介紹

探索浩瀚宇宙，無際深海，發展植入智能設備，邁向“體聯網”新時代，氟化碳材料在這些高新技術領域發揮了重要作用。我國發射的“天問一號”火星探測器采用了鋰氟化碳電池作為進入艙電源，為火星探測提供能源保障。此外，氟化碳材料在固體潤滑、超疏水涂層、耐候涂料、半導體、火箭固體推進劑以及核反應堆中子減速劑等領域也有應用研究，是現今國際上高科技、高性能、高效益的新型碳基材料研究熱點之一，氟化碳材料生產和優化是提升我國科技水平的關鍵一環。

然而，由于氟化碳的應用涉及高科技軍事敏感領域，日本和美國一直視為技術機密，不對外進行技術輸出和交流，我國氟化碳材料的研究起步較晚，因此氟化碳材料制備技術成了我國的一項“卡脖子”技術。如今，科技創新作為國家發展全局的核心，盡快突破關鍵核心技術，努力實現關鍵核心技術自主可控是時代賦予科研工作者的使命和責任。從目前國內外的研究現狀來看，已有氟化碳材料的性能表現有望實現進一步突破、氟化碳材料的生產能力與應用場景有待進一步提升。因此，瞄準世界科技前沿開發和擴大生產新型氟化碳材料，是加快實現高水平科技自立自強的必由之路，更是夯實世界科技強國建設根基的必然要求。

主要內容

天津大學封偉教授團隊長期從事氟化碳材料的基礎研究和產業化發展工作，近期在《新型炭材料（中英文）》(New Carbon Materials)上發表了題為“Status and development trends for fluorinated carbon in China”的綜述文章。該論文以氟化碳材料的結構和性質為基礎，分別從化學能源、摩擦潤滑和半導體等領域的應用綜述了近年來我國氟化碳材料的基礎研究現狀和發展趨勢（圖1）。同時，還介紹了我國氟化碳材料的產業化進程，指出目前在民用領域受限的主要原因，提出了當前氟化碳在不同應用領域存在的問題和未來發展機遇，為氟化碳材料的進一步擴大生產和實際應用提供方向。

圖 1?圖文摘要

近年來氟化碳發展的主要牽動引擎是高能鋰原電池。氟化碳電池具有比能量高，存儲壽命長的特點，目前的性能短板是低溫和倍率，這是因為氟化碳材料本身導電性較差造成的，也是進一步提高氟化碳電池性能的重點。目前的性能提升策略涵蓋了材料結構優化，新型電解液開發和電池各組件性能提升等方面。

封偉團隊通過碳源篩選和氟化路徑優化構建高氟含量正極材料，F/C可達1.17，作為正極材料用于Li/CF_x電池中，同時實現了高的比容量和高的放電電位，軟包電池電化學性能如圖2所示，能量密度最高可達2585.43 Wh/kg（電流密度為10 mA/g）。

圖 2?氟化煅燒澳洲堅果殼放電曲線

另外，從電池性能優化和制造成本的角度出發，封偉團隊采用預混合和分層涂布的方法，提出了平行結構氟化碳和具有相對優異功率特性的二氧化錳復合正極，在提高電極導電性的同時降低了氟化碳電池成本，進一步有效的提高了電池的倍率性能（圖3）。

圖 3?氟化碳和二氧化錳復合正極的分布及對應性能對比

總結和展望

目前，已有國內企業具備了氟化碳的生產能力，但在面對未來更大規模的用量和多層次的需求，我國氟化碳仍面臨保供能力不足，需要長期依賴進口的局面。這需要擴大生產規模，完善產品檢測指標和相應標準，優先突破需求規模大的產品批量生產制備和快速檢測技術加強氟化碳材料上下游產業鏈建設，通過合作和信息互通同步提高整條產業鏈發展速度，產業鏈完善才能真正實現高品質多品類氟化碳材料的生產，做到氟化碳材料自主可控。

總之，我國氟化碳材料的開發和應用方面已取得了顯著的進展，能夠實現批量的生產，但目前主要作為高端材料滿足軍工需求，未來民用市場仍具有很大的發展潛力。通過推動大量合成/生產、精細氟化、C-F鍵特征的均勻性、C-F鍵類型的可控性和更寬范圍的F/C比控制技術來實現性能的大幅提升，從而使得氟化碳材料將在不同的應用場景下發揮更重要的作用。希望各高等科研院校積極主動與各類上下游企業通力合作推進成果轉化，為我國氟化碳材料的自主可控做出積極貢獻。

文章信息

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

閱讀原文鏈接：

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

通訊作者簡介

封偉，天津大學教授。國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、國家杰出青年科學基金獲得者，科技部中青年創新領軍人才,?第二批天津市杰出人才，天津市“131”創新型團隊負責人，英國皇家化學會會士(FRSC)，日本JSPS學術振興委員會高級訪問學者，國務院政府特殊津貼專家。任第七屆、第八屆教育部科技委委員、中國復合材料學會導熱復合材料專委會首任主任委員。主要從事功能碳復合材料、高導熱功能復合材料、光熱能轉換存儲材料、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.等期刊上發表文章200余篇，國內外專利80多件。以第一獲獎人身份獲得教育部、天津市等省部級一等獎3項。

期刊信息

《新型炭材料（中英文）》??????

SCI-E、EI收錄期刊與中文核心期刊

影響因子：3.7（2021年度）

國內官網：http://xxtcl.sxicc.ac.cn/

國際版主頁：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

聯系電話： 0351-2025254

郵 ???箱：?xxtcl@sxicc.ac.cn?

tcl@sxicc.ac.cn??

《新型炭材料（中英文）》公眾號?????????????