锂电池怕冷，这不是秘密。你冬天手机掉电飞快，就是最直接的证据。但对某些特殊场景来说，这可不是小事——北极步兵作战、深空探测器、高超声速飞行器，都需要能在极寒环境中可靠工作的电池。

锂-氟化碳（Li||CFx）电池是这类场景的"王牌选手"：理论能量密度高达 2180 Wh/kg，年自放电率低于 0.5%，是能量密度最高的商用一次电池之一。但它的致命弱点是：温度一降，性能就断崖式下跌。此前，实用级的 Ah 级电池在 -40°C 以下就无法工作了。

其原因有三个瓶颈：第一，电解液冻住，粘度飙升，离子走不动；第二，放电产物 LiF 堆积在电极表面，堵住离子通道；第三，CF

x 本身是绝缘体，电子也走不动。此前的研究大多只盯着电解液做文章，忽略了电极本身的结构设计和电极-电解质界面（CEI）的调控。这篇论文的思路是：不单打一，三管齐下。

南开大学王欢团队提出了一个"双相工程"策略，同时改造电极和界面。

第一件事：

给电极"开窗 + 铺路"。用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术处理商用 CFx 粉末。乙炔在等离子体中裂解产生的碳自由基，一边在 CFx 表面"打孔"（制造约 20 nm 介孔，给锂离子开通道），一边在孔壁上"铺路"（原位生长导电碳层，给电子修高速）。电子导电率直接跃升 8 个数量级——从 5×10⁻¹² 提升到 9×10⁻⁴ S/m。关键是，这个工艺可规模化，单批次可生产近百克。

第二件事：

给界面"装智能门卫"。设计了甲基乙酸酯（MA）+ 二甲基亚砜（DMS）混合电解液。DMS 有两个绝活：一是自动吸附在 CFx 表面形成均匀的"预界面层"（pre-CEI），放电时演变为富含低价硫的界面，离子电导率高、阻抗低；二是其 LUMO 能级低，能在放电末端贡献额外容量。电解液冰点低于 -130°C，-80°C 时离子电导率仍有 1.16 mS/cm。



图2 | CEI 界面演化全过程

经过"电极 + 界面"双重优化后，电池的低温表现令人印象深刻。在 25°C 下，比容量达 583.3 mAh/g；-50°C 下达 428.4 mAh/g；-70°C 下达 333.4 mAh/g；即便在 -86°C 下仍能输出 351.0 mAh/g 的比容量。

更厉害的是，团队做出了实用级 5 Ah 软包电池。在贴近实际应用的条件下（高面载量 19.3 mg/cm²，贫液 E/C 比 1.8 g/Ah，低 N/P 比 1.49）测得：-50°C 下输出 470 Wh/kg 的电池级能量密度，-70°C 下输出 332 Wh/kg。电池还能在 -70°C 下点亮 LED 阵列，持续供电。工作温度范围覆盖 -100°C 到 100°C，是目前报道的 Li||CFx 电池中最宽的。 


图3 | PECVD-CFx 与传统 CFx 的动力学对比

机制一：PECVD 处理打通了"任督二脉"。介孔让锂离子能深入 CFx 内部，避免 LiF 在表面堆积堵路；碳涂层让电子畅通无阻。两者协同，让 CFx 的氟利用率大幅提升。

机制二：DMS 衍生界面降低了"过路费"。DMS 在 CFx 表面先形成均匀薄层，放电时演变为富含低价硫（Li₂S、Li₂S₂）的界面层，仅约 4 nm 厚，离子电导率高、脱溶剂化能垒低。对比之下，传统电解液形成的界面厚达 200+ nm，且 LiF 晶体无序堆积，严重阻碍离子传输。

值得一提的是，PECVD-CFx 的阻抗在 -50°C 下仅约 10 kΩ，比未处理的 CFx（约 10³ kΩ）低了两到三个数量级，这意味着低温下离子依然跑得动。

这项技术的应用场景十分广泛：北极/极地作业、深空探测器、高超声速飞行器、军用电源、户外探险装备、极端环境传感器等。

团队还做了实际验证：5 Ah 软包电池在 -70°C 下能输出 85.9 mA 电流，持续点亮 LED 阵列。同时加入了 PFPN/LiFSI 安全添加剂，提升了高温安全性和长期储存稳定性，满足实用电池的全面要求。这项工作首次在 -40°C 以下实现了 Ah 级 Li||CFx 软包电池的稳定运行，打破了该领域长期以来的温度瓶颈。团队也已申请相关专利，推动产业化落地。

南开大学团队用"PECVD 造孔铺路 + 定制电解液装智能门卫"的双相工程策略，让 Li||CFx 电池在 -100°C 到 100°C 全温域工作，5 Ah 软包电池在 -50°C 仍输出 470 Wh/kg，是目前低温一次电池的最高水平。

来源：科研留声机