1. 氟化碳作為一種新型功能材料的發展前景廣闊

我國氟化工行業起源于20世紀50年代，隨著國家核工業的發展和其他高端裝備對特殊材料的需求，得到了快速發展。經過幾十年的發展，已經形成了無機氟化物、含氟聚合物、氟碳化學品及含氟精細化學品4大類產品體系和完整的工業體系。

氟化工是我國具有特殊資源優勢的產業之一，涉及有機化工、核工業、航空航天、醫藥工業、汽車工業和功能材料等許多領域。進入21世紀，尤其是“十一五”“十二五”期間，我國的氟化工產業高速發展，取得了許多令人矚目的成果。目前，氟化工已成為國家戰略新興產業的重要組成部分，同時也是發展新能源等其他戰略新興產業和提升傳統產業所需的配套材料，對促進我國制造業結構調整和產品升級起著十分重要的作用。

氟化碳作為一種新型功能材料，是鋰/氟化碳（Li/CFx）電池的陰極活性物質，在新型鋰電池產業的發展過程中扮演著重要角色。在現有商品化的一次鋰電池產品中，鋰/氟化碳（Li/CFx）電池在質量比能量、體積比能量、工作溫度范圍具有明顯優勢，產品性能指標對比詳見表1。

表1  現有商品化的一次鋰電池產品性能指標比較

隨著工業智能化、軍事裝備信息化、智慧城市、萬物互聯、共享經濟、大眾健康以及人們生活智能化的快速發展，對高性能、超薄、超輕、更安全的電池產品的需求將是空前的。其中對Li/CFx和Li/(CF)n電池的期待不僅僅是鋰電池行業的重點關注，同時也是當代信息產業普遍的重點關注。因此，氟化碳作為一種新型功能材料前景非常廣闊。

2. 鋰/氟化碳電池是氟化碳材料應用的重要應用領域

在鋰電池產業鏈中，使用多種含氟化學品。聚偏氟乙烯（PVDF）作為鋰離子電池陰極和陽極電極的粘結劑；氟化石墨作為鋰離子電池陽極的改性材料；六氟磷酸鋰（LiPF6）、四氟硼酸鋰（LiBF4）作為鋰離子電池電解液的主要原料；CFx作為一次鋰電池的陰極活性物質等等。其中，CFx材料的性能改進，產能提升，對于Li/CFx電池發展起到決定性的作用。從一定意義上說，鋰/氟化碳電池是氟化碳材料的重要戰場。

2.1  國外已經將Li/CFx電池列入先進電池研究計劃

自20世紀70年代以來，Li/CFx或Li/(CF)n電池一直存在，充分展現了高比能量、高可靠性、寬工作溫度、無電壓滯后等優點，被應用于高能量、低功率的電子設備中，例如存儲器備用系統。然而，由于傳統的鋰/聚氟化碳Li/(CF)n電池放電電流、特別是脈沖電流小的缺點，以及氟化碳（CFx）成本過高等因素，影響和制約了Li/CFx電池的發展。

2017年，西方某大國主管部門將鋰原電池包括Li/CFx、Li/CFx-MnO2電池作為先進鋰原電池予以高度重視。該主管部門明確表示：開發的先進鋰原電池包括Li-CFx、Li/CFx-MnO2和Li/O2電池，將進一步提升這些先進原電池的技術優勢，充分展現其更高的比能量、更長的保質期，以及低溫性能的改善。這些先進的原電池的預計比能量為：Li/CFx電池（350～400Wh/kg）和Li/CFx-MnO2電池（300～350Wh/kg）。用于國防軍事裝備，也可供石油和天然氣工業使用。

2.2  國防和軍事裝備需要大功率、高可靠性的Li/CFx電池

先進的武器裝備需要配備先進的電池。在現代化的軍事對抗或實際戰爭，雖然長時間比的是人心向背，但短時間比的卻是武器裝備的實力。先進的武器裝備是取得戰爭勝負的關鍵。

現代戰爭的主要特征表現在快速（反應）、立體（天上、空中、地面、海下）、隱蔽無人（或少人）。這就要求武器裝備快速反應，通訊信息及時準確；天上、空中和水下的航行器快速捕獲或消滅“獵物”；地面的各類武器穩準狠的擊中目標；這些都離不開性能可靠的電池作為保證。

智能制導導彈、水下航行器、無人機、地面各類戰車、背負若干武器裝備戰斗人員，迫切需要性能可靠、反應靈敏、質量輕巧電池產品作為其出敵制勝的法寶。雖然目前可反復充電的電池具有一定的經濟優勢，但是戰備或實戰需要的是高比容量、高可靠性、提起就可以使用的電源，先進的Li/CFx電池就是首選。

在一些特殊場合，要求電池質量輕，或者無磁性，開發鋁殼的Li/CFx電池也已經列入研發計劃，我們正在對相關配套的元器件進行評估、篩選，預計不久鋁殼的Li/CFx電池即將問世，用于對電池質量和磁性特別敏感的特殊武器裝備中。

2.3  工業和智能化裝置需要規格多樣的Li/CFx電池

一般情況下，工業和智能化裝置需要的電池，大多選用可反復充電的電池，如鋰離子電池或其他電池等。但是，越是智能化的裝置，越是需要程序指令和獲取信息的貯存安全、可靠。必須要有可靠的儲備電源作為后備電源，以備不測。

作為工業和智能化裝置的后備電源，一般要求與主電源物理隔離，以免受到主電源和外界的干擾，存儲壽命長、性能可靠，規格型號各異、以適應各類裝置的需求，等等。這些要求也恰恰與先進的Li/CFx電池的性能相吻合。

工業和智能化裝置的應用，有許多處于惡劣的工作環境中，如用于石油、天然氣或地質勘探過程的測井儀器電池，用于石油、天然氣管道輸送過程測量、監控儀器電池，海上浮漂、海下監控儀器電池，江河水文、環保監控儀器電池等等，而且高溫、低溫、沖擊、震動等各類惡劣的條件可能同時具備。因此選用先進的Li/CFx電池才是正確之。

2.4  醫療設備和醫療產品需要性價比高的Li/CFx電池

醫療設備和醫療產品是現代醫療的重要診斷和治療手段，是現代社會的重要福利設施，也是國家推行大健康產業的基本條件之一。如同先進的武器裝備一樣，先進的醫療設備和醫療產品，也需要先進的電池作為動力。

介入治療的設備中，包括心臟起搏器、腦起搏器、心臟除顫器、迷走神經刺激器等，是目前治療心臟疾病和癲癇疾病的重要器件。其中，心臟起搏器是一種植入于體內的電子治療儀器，通過脈沖發生器發放由電池提供能量的電脈沖，從而達到治療由于某些心律失常所致的心臟功能障礙；迷走神經刺激器是一種用來輔助治療藥物難以治愈的癲癇和抑郁癥的微型可植入式器件。

這種植入于體內的電子治療儀器需要高比容量、高安全性、體積小、質量輕的電池提供電源，過去大多采用Li/I2/碘（I2）、Li/SOCl2、Li/CFx電池作為電源。隨著心臟起搏器、腦起搏器等技術指標的提升和器件的小型化，要求電池的性能指標也隨之提高，一般采用Li/CFx-MnO2Li/CFx -銀釩氧化物（-AgVO）電池。通過近一年多時間的技術攻關和反復試驗發現， XR09150 Li/MnO2-CFx電池容量可以達到400mAh以上，更小型XR06150 Li/MnO2-CFx電池容量也望達到380mAh以上。

膠囊內窺鏡，是一種類似膠囊形狀的內窺鏡，它是用來檢查人體腸道的醫療儀器。膠囊內窺鏡通過食道進入人體，用于窺探人體腸胃和食道部位的疾病狀況，幫助醫生對病人進行診斷，它不僅克服傳統檢測方法難以檢測到的盲區或死角，而且減輕了傳統檢測方法給受檢者帶來的痛苦。這種隨著膠囊內窺鏡進入人體的電池，同樣要求高比容量、高安全性、體積小、質量輕。通過近一年多時間的技術攻關和反復試驗，使用山東重山光電材料股份有限公司的氟化碳材料，研發生產出多種規格型號、不同配比的Li/CFx-MnO2和Li/MnO2-CFx電池。其中：CR09060、XR09060、CR09080、XR09080電池容量，具有60mAh、80 mAh、100 mAh、120mAh的不同梯次的系列產品，以滿足不同膠囊內窺鏡功能的需求。

3. 優化氟化碳性能是提高鋰/氟化碳電池性能的主要途徑

Li/CFx電池是一種極具吸引力的主要便攜式電源，與Li/SO2和Li/MnO2相比，它具有高的能量密度和比能量。其中Li/CFx電池的容量接近標準Li/SO2電池的2倍。但是，由于CFx材料固有的性能缺陷，由普通的CFx材料生產的Li/CFx電池，存在高倍率放電性能差、低溫放電性能也不理想、陰極材料容易腫脹等問題，嚴重制約了Li/CFx電池發揮應有的技術優勢。這也是Li/CFx電池沒有取得較大發展的主要原因之一。

自20世紀70年代Li/CFx電池誕生的40多年來，國內外的專家和技術人員改善Li/CFx電池的努力從來都沒有停止過，付出了極大的精力和財力，獲得了一些技術和工藝突破。尤其圍繞Li/CFx電池性能改進上，做了許多研究，包括CFx合成工藝的改進，以及各種包覆技術的應用等。

3.1  CFx合成工藝的改進

其中，在碳材料（石墨、炭黑、石油焦等）的選擇，氟氣（F2）流量、純度的控制，氟碳比的控制條件，合成工藝（靜置、平移、翻動等）的試驗，以及合成溫度的優化等方面，都獲得了許多有益的技術參數或寶貴的操作經驗。雖然在CFx的電化學活性和氟碳比的一致性上與日本DAIKIN、美國ARC公司的產品還存在一定的差距，但由于CFx中氟碳比的x = 0.5～1.2的產品具有不同的電化學特性，這種性能優化的研究實驗還有許多工作有待深入。

3.2  CFx的納米化、纖維化

CFx材料不良電導性是制約Li/CFx電池性能的主要原因。通過采用添加碳納米管、石墨烯、導電石墨等材料，用以提升CFx的導電性能，取得一定的效果；同時對上述材料進行物理處置，以期達到CFx材料的微米化。實驗表明，制作的Li/CFx電池倍率放電性能明顯改善，電池腫脹現象也得到抑制。根據國外資料介紹，CFx在合成過程中或合成以后，通過化學和物理的方法，使其納米化、纖維化，效果更佳。

國外有資料報告，當用氟化碳納米管作一次鋰電池陰極材料時，表現出超過理論值的容量。測量的實驗容量超過了亞氟化少壁碳納米管（FWCNT）的預期理論值。盡管碳/氟摩爾比僅為0.37（即CF0.37），卻獲得了900mAh/g的實驗容量，其高于理論值521mAh/g。使用相同的材料，達到了2565 Wh/kg的前所未有的能量密度。如果這種現象能夠再現，將是氟化碳和鋰電池領域的福音。

3.3  CFx+MnO2

為了彌補Li/CFx電池大倍率放電和低溫性能差的缺憾，早在1998年美國一家公司開始進行了CFx+ MnO2生產Li/CFx+MnO2電池，用以滿足美軍在中東戰場對高功率、大容量電池的急需。這種充分利用氟化碳的較高比容量和二氧化錳較好倍率放電的比較優勢，“強強聯合”獲得了成功。在與國外公司合作的過程中，筆者所在的研究團隊不僅實現了Li/CFx+MnO2電池的性能更優化，還進行了在CFx中添加其他金屬氧化物或非金屬氧化物的實驗，其中有的實驗結果對下一步生產Li/（CFx +雜化物質）電池，具有令人振奮的商業前景期盼。

3.4  CFx+ 金屬氧化物

在改善用于植入式醫療器械的Li/CFx電池性能過程中，國外的電池公司已經成功的實現了Li/CFx-VO、Li/CFx-AgVO、Li/CFx-CuAgVO電池的商品化。據相關資料介紹，有國外的電池公司還進行了Li/CFx-CuVMnO電池的研究，也取得了比較好的實驗效果。筆者對國外的相關研究成果做了認真研判和初步試驗后認為，要真正做好這種電池，需要對現有的電池生產工藝進行改進，同時也需要對電池材料包括氟化碳、各類金屬氧化物、電解液等做大的改進。

3.5  氟化碳的氟/碳比和電解液的優化

有資料顯示，不同氟/碳比的材料和不同摩爾比的電解液組對，Li/CFx電池的性能各異。與氟/碳比為1的CFx相比，低氟化CFx材料在-40℃、C/20速率時能夠表現出優異的低溫性能。其中電解質混合物DME/PC/1M LiBF4，其比例為80:20 （V/V）％1,2-二甲氧基乙烷（DME）/碳酸亞丙酯（PC）基電解質，在低溫下具有優異的性能。但在-40℃下在較高速率下電池性能仍然存在顯著變化。對此，筆者沒有驗證，但曾經做過類似的實驗，發現不同的氟/碳比、不同的電解液組分和不同的電解質摩爾濃度，對Li/CFx電池的諸多性能影響較大。

3.6  鋰/氟化碳 + 其他金屬或非金屬氧化物的二次電池

一般認為，鋰/氟化碳電池反應過程中產生氟化鋰（LiF）是不可逆的，也就是說Li/CFx電池是不可充電的。但是近來有報道稱，在氟化碳材料中添加相關金屬或非金屬氧化物可以生產鋰離子二次電池。目前，筆者團隊正在進行用氟化碳 + 其他金屬或非金屬氧化物制作二次電池的研究工作，在理論的研判取得了初步認識，同時，正在策劃對具體材料的選擇、制作以及不同工藝技術條件的優選組合。

4. 改善性能提升產能降低成本，促進氟化碳產業化

4.1  進一步強化氟化碳材料的基礎研究，強化現有研發人員的研發合力

相對于發達國家，我國的氟化碳材料的基礎研究上還有一定的差距。改革開放前，我國的氟化工研究，主要集中于少數央企和研究院所，而研究的方向大多數集中于國防軍工和關鍵功能材料上。比如核工業生產過程中的金屬鈾冶煉和金屬鈾同位素235U和238U的分離，以及化工行業有機氟化工的聚四氟乙烯和其他有機氟材料的生產，它們代表著我國無機氟化工和有機氟化工的技術水平，在當時國際環境中，還算是有一席之地，但氟化工總體水平與發達國家相差甚遠。

改革開放后，央企和研究院所機制改革，尤其是一批民營企業的介入，匯集了一批有志于氟化工研究的人才，極大地促進了我國氟化工研究和氟化工產業的發展，逐步拉小了與發達國家的差距。在氟化工研究和氟化工產業上，既需要有企業家的遠見卓識、投入資金，更需要政府在政策和資金上的扶持。當前，涉及我國先進制造業所需要的氟材料，只能依靠自己。中興和華為的前車之鑒，氟化工產業需要銘記在心。

4.2  將氟化碳材料研究與其他氟材料融為一體，相互借鑒、相互促進

氟化碳材料只是龐大氟化工材料的一個分支。氟化碳的研究、技術進步和產業發展，依附于氟化工的研究、技術進步和產業發展，只有將氟化碳材料研究與其它氟材料研究融為一體，才能促進氟化碳材料研究的深化和產業的發展壯大。

研究國外知名氟化工的發展歷程，尤其是日本的大金工業株式會社（DAIJIN）和美國的ARC，不難發現，他們的發展都是從單一的氟材料研發生產開始，逐步發展到大型多品種氟化工研究產業集團，為眾多行業提供服務。如成立于1968的ARC，目前其產品成功應用于有軍事防御、半導體、電池材料、制藥、醫療設備、汽車零部件、紡織品、農業、表面活性劑和工業清潔劑等眾多領域，掛牌銷售的產品多達138種。筆者對上述2家公司的氟化碳產品進行跟蹤發現，其氟化碳電性能、氟碳比都比較穩定，他們的經驗值得借鑒。

4.3  借鑒無機氟化工工藝，改進現有氟化碳合成工藝路徑

現行氟化碳合成工藝有多條路徑，如氟/碳煅燒和催化合成，有機氟化物/碳煅燒和催化合成，電解合成等，這些方法各有優勢，也各有缺點。筆者認為借鑒核工業無機氟化工工藝，改進現有氟化碳合成工藝路徑，不僅具有工藝技術價值，而且能夠實現可以預見的經濟效益價值。

核工業金屬鈾的冶煉過程中，四氟化鈾的工業制備有干法和濕法兩條途徑。它是由二氧化鈾與氟化氫作用而成。具體反應式如式（1）和式（2）所示。

UO2 + 4HF（氣體）⇔ UF4 + 2H2O↑（1）

UO2 + 4HF（液體）⇔ UF4 + 2H2O↑（2）

為了進行鈾同位素的分離，還要將四氟化鈾制備成六氟化鈾，在一定的壓力和溫度下使其氣化，進行鈾同位素235U和238U的分離，通過氟氣氟化生產六氟化鈾的反應式如式（3）所示。

UF4 + F2（氣體）⇔ UF6 （3）

上述工藝技術，在老一輩核工業人艱苦卓絕的努力下，從20世紀50年代中期開始研發應用到80年代中期全部退役，取得了非常寶貴的科研成果和工藝技術方法，很值得現在氟化工研發生產人員吸收、借鑒和發展。

4.4  大幅度提升氟化碳產能產量，降低氟化碳生產成本

“物以稀為貴”。短缺的數量、昂貴的價格制約了相關應用氟化碳材料產業的發展，同時也制約了氟化碳產業自身的發展。

造成氟化碳材料昂貴價格的主要原因是氟化碳合成工藝難度大、產能產量低以及發達國家的技術壟斷和產品出口控制。面對世界發達國家的技術壁壘，面對高性能氟化碳材料昂貴的價格，面對相關產業對氟化碳材料的迫切需求，只有“奮發圖強、自力更生”，開創出具有自己特色的工藝技術路線。

借鑒核工業無機氟化工的成熟工藝，改靜態氟化為動態氟化。核工業無機氟化工的成熟工藝，包括氫氟酸（HF液體）反應釜合成法（濕法）；氫氟酸（HF氣體）流化床合成法（干法）；以及回轉爐、鏈式推舟爐燒結法。融合上述工藝方法的不同優點，適應氟化碳合成工藝的特點，可以采用新型氟化床，以解決工藝可控，作業連續，性能一致，安全環保，產能提升的綜合效能。

借鑒有機氟化工的成熟工藝，研究采用有機氟產品直接轉化。從理論上分析，采用有機氟產品直接轉化生產氟化碳材料是可行的。它的最大的優勢在于避開了直接氟化工藝中氟的介質，降低了氟化工藝腐蝕和安全風險，但它的產成品的品位高低，活性大小還有大量的研究實驗工作要做。