1. 氟化碳作为一种新型功能材料的发展前景广阔

我国氟化工行业起源于20世纪50年代，随着国家核工业的发展和其他高端装备对特殊材料的需求，得到了快速发展。经过几十年的发展，已经形成了无机氟化物、含氟聚合物、氟碳化学品及含氟精细化学品4大类产品体系和完整的工业体系。

氟化工是我国具有特殊资源优势的产业之一，涉及有机化工、核工业、航空航天、医药工业、汽车工业和功能材料等许多领域。进入21世纪，尤其是“十一五”“十二五”期间，我国的氟化工产业高速发展，取得了许多令人瞩目的成果。目前，氟化工已成为国家战略新兴产业的重要组成部分，同时也是发展新能源等其他战略新兴产业和提升传统产业所需的配套材料，对促进我国制造业结构调整和产品升级起着十分重要的作用。

氟化碳作为一种新型功能材料，是锂/氟化碳（Li/CFx）电池的阴极活性物质，在新型锂电池产业的发展过程中扮演着重要角色。在现有商品化的一次锂电池产品中，锂/氟化碳（Li/CFx）电池在质量比能量、体积比能量、工作温度范围具有明显优势，产品性能指标对比详见表1。

表1  现有商品化的一次锂电池产品性能指标比较

随着工业智能化、军事装备信息化、智慧城市、万物互联、共享经济、大众健康以及人们生活智能化的快速发展，对高性能、超薄、超轻、更安全的电池产品的需求将是空前的。其中对Li/CFx和Li/(CF)n电池的期待不仅仅是锂电池行业的重点关注，同时也是当代信息产业普遍的重点关注。因此，氟化碳作为一种新型功能材料前景非常广阔。

2. 锂/氟化碳电池是氟化碳材料应用的重要应用领域

在锂电池产业链中，使用多种含氟化学品。聚偏氟乙烯（PVDF）作为锂离子电池阴极和阳极电极的粘结剂；氟化石墨作为锂离子电池阳极的改性材料；六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）作为锂离子电池电解液的主要原料；CFx作为一次锂电池的阴极活性物质等等。其中，CFx材料的性能改进，产能提升，对于Li/CFx电池发展起到决定性的作用。从一定意义上说，锂/氟化碳电池是氟化碳材料的重要战场。

2.1  国外已经将Li/CFx电池列入先进电池研究计划

自20世纪70年代以来，Li/CFx或Li/(CF)n电池一直存在，充分展现了高比能量、高可靠性、宽工作温度、无电压滞后等优点，被应用于高能量、低功率的电子设备中，例如存储器备用系统。然而，由于传统的锂/聚氟化碳Li/(CF)n电池放电电流、特别是脉冲电流小的缺点，以及氟化碳（CFx）成本过高等因素，影响和制约了Li/CFx电池的发展。

2017年，西方某大国主管部门将锂原电池包括Li/CFx、Li/CFx-MnO2电池作为先进锂原电池予以高度重视。该主管部门明确表示：开发的先进锂原电池包括Li-CFx、Li/CFx-MnO2和Li/O2电池，将进一步提升这些先进原电池的技术优势，充分展现其更高的比能量、更长的保质期，以及低温性能的改善。这些先进的原电池的预计比能量为：Li/CFx电池（350～400Wh/kg）和Li/CFx-MnO2电池（300～350Wh/kg）。用于国防军事装备，也可供石油和天然气工业使用。

2.2  国防和军事装备需要大功率、高可靠性的Li/CFx电池

先进的武器装备需要配备先进的电池。在现代化的军事对抗或实际战争，虽然长时间比的是人心向背，但短时间比的却是武器装备的实力。先进的武器装备是取得战争胜负的关键。

现代战争的主要特征表现在快速（反应）、立体（天上、空中、地面、海下）、隐蔽无人（或少人）。这就要求武器装备快速反应，通讯信息及时准确；天上、空中和水下的航行器快速捕获或消灭“猎物”；地面的各类武器稳准狠的击中目标；这些都离不开性能可靠的电池作为保证。

智能制导导弹、水下航行器、无人机、地面各类战车、背负若干武器装备战斗人员，迫切需要性能可靠、反应灵敏、质量轻巧电池产品作为其出敌制胜的法宝。虽然目前可反复充电的电池具有一定的经济优势，但是战备或实战需要的是高比容量、高可靠性、提起就可以使用的电源，先进的Li/CFx电池就是首选。

在一些特殊场合，要求电池质量轻，或者无磁性，开发铝壳的Li/CFx电池也已经列入研发计划，我们正在对相关配套的元器件进行评估、筛选，预计不久铝壳的Li/CFx电池即将问世，用于对电池质量和磁性特别敏感的特殊武器装备中。

2.3  工业和智能化装置需要规格多样的Li/CFx电池

一般情况下，工业和智能化装置需要的电池，大多选用可反复充电的电池，如锂离子电池或其他电池等。但是，越是智能化的装置，越是需要程序指令和获取信息的贮存安全、可靠。必须要有可靠的储备电源作为后备电源，以备不测。

作为工业和智能化装置的后备电源，一般要求与主电源物理隔离，以免受到主电源和外界的干扰，存储寿命长、性能可靠，规格型号各异、以适应各类装置的需求，等等。这些要求也恰恰与先进的Li/CFx电池的性能相吻合。

工业和智能化装置的应用，有许多处于恶劣的工作环境中，如用于石油、天然气或地质勘探过程的测井仪器电池，用于石油、天然气管道输送过程测量、监控仪器电池，海上浮漂、海下监控仪器电池，江河水文、环保监控仪器电池等等，而且高温、低温、冲击、震动等各类恶劣的条件可能同时具备。因此选用先进的Li/CFx电池才是正确之。

2.4  医疗设备和医疗产品需要性价比高的Li/CFx电池

医疗设备和医疗产品是现代医疗的重要诊断和治疗手段，是现代社会的重要福利设施，也是国家推行大健康产业的基本条件之一。如同先进的武器装备一样，先进的医疗设备和医疗产品，也需要先进的电池作为动力。

介入治疗的设备中，包括心脏起搏器、脑起搏器、心脏除颤器、迷走神经刺激器等，是目前治疗心脏疾病和癫痫疾病的重要器件。其中，心脏起搏器是一种植入于体内的电子治疗仪器，通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲，从而达到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍；迷走神经刺激器是一种用来辅助治疗药物难以治愈的癫痫和抑郁症的微型可植入式器件。

这种植入于体内的电子治疗仪器需要高比容量、高安全性、体积小、质量轻的电池提供电源，过去大多采用Li/I2/碘（I2）、Li/SOCl2、Li/CFx电池作为电源。随着心脏起搏器、脑起搏器等技术指标的提升和器件的小型化，要求电池的性能指标也随之提高，一般采用Li/CFx-MnO2Li/CFx -银钒氧化物（-AgVO）电池。通过近一年多时间的技术攻关和反复试验发现， XR09150 Li/MnO2-CFx电池容量可以达到400mAh以上，更小型XR06150 Li/MnO2-CFx电池容量也望达到380mAh以上。

胶囊内窥镜，是一种类似胶囊形状的内窥镜，它是用来检查人体肠道的医疗仪器。胶囊内窥镜通过食道进入人体，用于窥探人体肠胃和食道部位的疾病状况，帮助医生对病人进行诊断，它不仅克服传统检测方法难以检测到的盲区或死角，而且减轻了传统检测方法给受检者带来的痛苦。这种随着胶囊内窥镜进入人体的电池，同样要求高比容量、高安全性、体积小、质量轻。通过近一年多时间的技术攻关和反复试验，使用山东重山光电材料股份有限公司的氟化碳材料，研发生产出多种规格型号、不同配比的Li/CFx-MnO2和Li/MnO2-CFx电池。其中：CR09060、XR09060、CR09080、XR09080电池容量，具有60mAh、80 mAh、100 mAh、120mAh的不同梯次的系列产品，以满足不同胶囊内窥镜功能的需求。

3. 优化氟化碳性能是提高锂/氟化碳电池性能的主要途径

Li/CFx电池是一种极具吸引力的主要便携式电源，与Li/SO2和Li/MnO2相比，它具有高的能量密度和比能量。其中Li/CFx电池的容量接近标准Li/SO2电池的2倍。但是，由于CFx材料固有的性能缺陷，由普通的CFx材料生产的Li/CFx电池，存在高倍率放电性能差、低温放电性能也不理想、阴极材料容易肿胀等问题，严重制约了Li/CFx电池发挥应有的技术优势。这也是Li/CFx电池没有取得较大发展的主要原因之一。

自20世纪70年代Li/CFx电池诞生的40多年来，国内外的专家和技术人员改善Li/CFx电池的努力从来都没有停止过，付出了极大的精力和财力，获得了一些技术和工艺突破。尤其围绕Li/CFx电池性能改进上，做了许多研究，包括CFx合成工艺的改进，以及各种包覆技术的应用等。

3.1  CFx合成工艺的改进

其中，在碳材料（石墨、炭黑、石油焦等）的选择，氟气（F2）流量、纯度的控制，氟碳比的控制条件，合成工艺（静置、平移、翻动等）的试验，以及合成温度的优化等方面，都获得了许多有益的技术参数或宝贵的操作经验。虽然在CFx的电化学活性和氟碳比的一致性上与日本DAIKIN、美国ARC公司的产品还存在一定的差距，但由于CFx中氟碳比的x = 0.5～1.2的产品具有不同的电化学特性，这种性能优化的研究实验还有许多工作有待深入。

3.2  CFx的纳米化、纤维化

CFx材料不良电导性是制约Li/CFx电池性能的主要原因。通过采用添加碳纳米管、石墨烯、导电石墨等材料，用以提升CFx的导电性能，取得一定的效果；同时对上述材料进行物理处置，以期达到CFx材料的微米化。实验表明，制作的Li/CFx电池倍率放电性能明显改善，电池肿胀现象也得到抑制。根据国外资料介绍，CFx在合成过程中或合成以后，通过化学和物理的方法，使其纳米化、纤维化，效果更佳。

国外有资料报告，当用氟化碳纳米管作一次锂电池阴极材料时，表现出超过理论值的容量。测量的实验容量超过了亚氟化少壁碳纳米管（FWCNT）的预期理论值。尽管碳/氟摩尔比仅为0.37（即CF0.37），却获得了900mAh/g的实验容量，其高于理论值521mAh/g。使用相同的材料，达到了2565 Wh/kg的前所未有的能量密度。如果这种现象能够再现，将是氟化碳和锂电池领域的福音。

3.3  CFx+MnO2

为了弥补Li/CFx电池大倍率放电和低温性能差的缺憾，早在1998年美国一家公司开始进行了CFx+ MnO2生产Li/CFx+MnO2电池，用以满足美军在中东战场对高功率、大容量电池的急需。这种充分利用氟化碳的较高比容量和二氧化锰较好倍率放电的比较优势，“强强联合”获得了成功。在与国外公司合作的过程中，笔者所在的研究团队不仅实现了Li/CFx+MnO2电池的性能更优化，还进行了在CFx中添加其他金属氧化物或非金属氧化物的实验，其中有的实验结果对下一步生产Li/（CFx +杂化物质）电池，具有令人振奋的商业前景期盼。

3.4  CFx+ 金属氧化物

在改善用于植入式医疗器械的Li/CFx电池性能过程中，国外的电池公司已经成功的实现了Li/CFx-VO、Li/CFx-AgVO、Li/CFx-CuAgVO电池的商品化。据相关资料介绍，有国外的电池公司还进行了Li/CFx-CuVMnO电池的研究，也取得了比较好的实验效果。笔者对国外的相关研究成果做了认真研判和初步试验后认为，要真正做好这种电池，需要对现有的电池生产工艺进行改进，同时也需要对电池材料包括氟化碳、各类金属氧化物、电解液等做大的改进。

3.5  氟化碳的氟/碳比和电解液的优化

有资料显示，不同氟/碳比的材料和不同摩尔比的电解液组对，Li/CFx电池的性能各异。与氟/碳比为1的CFx相比，低氟化CFx材料在-40℃、C/20速率时能够表现出优异的低温性能。其中电解质混合物DME/PC/1M LiBF4，其比例为80:20 （V/V）％1,2-二甲氧基乙烷（DME）/碳酸亚丙酯（PC）基电解质，在低温下具有优异的性能。但在-40℃下在较高速率下电池性能仍然存在显着变化。对此，笔者没有验证，但曾经做过类似的实验，发现不同的氟/碳比、不同的电解液组分和不同的电解质摩尔浓度，对Li/CFx电池的诸多性能影响较大。

3.6  锂/氟化碳 + 其他金属或非金属氧化物的二次电池

一般认为，锂/氟化碳电池反应过程中产生氟化锂（LiF）是不可逆的，也就是说Li/CFx电池是不可充电的。但是近来有报道称，在氟化碳材料中添加相关金属或非金属氧化物可以生产锂离子二次电池。目前，笔者团队正在进行用氟化碳 + 其他金属或非金属氧化物制作二次电池的研究工作，在理论的研判取得了初步认识，同时，正在策划对具体材料的选择、制作以及不同工艺技术条件的优选组合。

4. 改善性能提升产能降低成本，促进氟化碳产业化

4.1  进一步强化氟化碳材料的基础研究，强化现有研发人员的研发合力

相对于发达国家，我国的氟化碳材料的基础研究上还有一定的差距。改革开放前，我国的氟化工研究，主要集中于少数央企和研究院所，而研究的方向大多数集中于国防军工和关键功能材料上。比如核工业生产过程中的金属铀冶炼和金属铀同位素235U和238U的分离，以及化工行业有机氟化工的聚四氟乙烯和其他有机氟材料的生产，它们代表着我国无机氟化工和有机氟化工的技术水平，在当时国际环境中，还算是有一席之地，但氟化工总体水平与发达国家相差甚远。

改革开放后，央企和研究院所机制改革，尤其是一批民营企业的介入，汇集了一批有志于氟化工研究的人才，极大地促进了我国氟化工研究和氟化工产业的发展，逐步拉小了与发达国家的差距。在氟化工研究和氟化工产业上，既需要有企业家的远见卓识、投入资金，更需要政府在政策和资金上的扶持。当前，涉及我国先进制造业所需要的氟材料，只能依靠自己。中兴和华为的前车之鉴，氟化工产业需要铭记在心。

4.2  将氟化碳材料研究与其他氟材料融为一体，相互借鉴、相互促进

氟化碳材料只是庞大氟化工材料的一个分支。氟化碳的研究、技术进步和产业发展，依附于氟化工的研究、技术进步和产业发展，只有将氟化碳材料研究与其它氟材料研究融为一体，才能促进氟化碳材料研究的深化和产业的发展壮大。

研究国外知名氟化工的发展历程，尤其是日本的大金工业株式会社（DAIJIN）和美国的ARC，不难发现，他们的发展都是从单一的氟材料研发生产开始，逐步发展到大型多品种氟化工研究产业集团，为众多行业提供服务。如成立于1968的ARC，目前其产品成功应用于有军事防御、半导体、电池材料、制药、医疗设备、汽车零部件、纺织品、农业、表面活性剂和工业清洁剂等众多领域，挂牌销售的产品多达138种。笔者对上述2家公司的氟化碳产品进行跟踪发现，其氟化碳电性能、氟碳比都比较稳定，他们的经验值得借鉴。

4.3  借鉴无机氟化工工艺，改进现有氟化碳合成工艺路径

现行氟化碳合成工艺有多条路径，如氟/碳煅烧和催化合成，有机氟化物/碳煅烧和催化合成，电解合成等，这些方法各有优势，也各有缺点。笔者认为借鉴核工业无机氟化工工艺，改进现有氟化碳合成工艺路径，不仅具有工艺技术价值，而且能够实现可以预见的经济效益价值。

核工业金属铀的冶炼过程中，四氟化铀的工业制备有干法和湿法两条途径。它是由二氧化铀与氟化氢作用而成。具体反应式如式（1）和式（2）所示。

UO2 + 4HF（气体）⇔ UF4 + 2H2O↑（1）

UO2 + 4HF（液体）⇔ UF4 + 2H2O↑（2）

为了进行铀同位素的分离，还要将四氟化铀制备成六氟化铀，在一定的压力和温度下使其气化，进行铀同位素235U和238U的分离，通过氟气氟化生产六氟化铀的反应式如式（3）所示。

UF4 + F2（气体）⇔ UF6 （3）

上述工艺技术，在老一辈核工业人艰苦卓绝的努力下，从20世纪50年代中期开始研发应用到80年代中期全部退役，取得了非常宝贵的科研成果和工艺技术方法，很值得现在氟化工研发生产人员吸收、借鉴和发展。

4.4  大幅度提升氟化碳产能产量，降低氟化碳生产成本

“物以稀为贵”。短缺的数量、昂贵的价格制约了相关应用氟化碳材料产业的发展，同时也制约了氟化碳产业自身的发展。

造成氟化碳材料昂贵价格的主要原因是氟化碳合成工艺难度大、产能产量低以及发达国家的技术垄断和产品出口控制。面对世界发达国家的技术壁垒，面对高性能氟化碳材料昂贵的价格，面对相关产业对氟化碳材料的迫切需求，只有“奋发图强、自力更生”，开创出具有自己特色的工艺技术路线。

借鉴核工业无机氟化工的成熟工艺，改静态氟化为动态氟化。核工业无机氟化工的成熟工艺，包括氢氟酸（HF液体）反应釜合成法（湿法）；氢氟酸（HF气体）流化床合成法（干法）；以及回转炉、链式推舟炉烧结法。融合上述工艺方法的不同优点，适应氟化碳合成工艺的特点，可以采用新型氟化床，以解决工艺可控，作业连续，性能一致，安全环保，产能提升的综合效能。

借鉴有机氟化工的成熟工艺，研究采用有机氟产品直接转化。从理论上分析，采用有机氟产品直接转化生产氟化碳材料是可行的。它的最大的优势在于避开了直接氟化工艺中氟的介质，降低了氟化工艺腐蚀和安全风险，但它的产成品的品位高低，活性大小还有大量的研究实验工作要做。