NC：CFx电极与界面的双相工程实现低温Li||CFx电池

Li||CFx一次电池具有高理论比能量和低自放电优势，适用于极地、航空航天等低温场景。但在低温下，电解液黏度升高、离子电导下降，CFx本征绝缘和LiF不均匀沉积会共同放大极化，导致容量和倍率性能快速衰减。

已有策略多集中在低温电解液优化，却较少系统处理CFx正极内部的电子/Li⁺协同传输，也缺乏对一次Li||CFx电池正极电解质界面CEI成分与演化的深入调控。

该工作把正极介孔导电网络与电解液诱导界面反应结合起来，试图让Li⁺从界面到CFx内部都能更快迁移。该研究的关键思路是：PECVD改造CFx本体，MA/DMS电解液改造CEI。

前者提供碳包覆和介孔扩散通道，后者利用DMS的高HOMO、低LUMO和强CFx吸附能力，形成可转化为低价硫无机物的界面层，从而实现低温下的高容量、高倍率和软包验证。

近日，南开大学陈军、王欢、北京石墨烯研究院刘忠范在Nature Communications发表了题为"Dual-phase engineering of CFx electrode and interphase enables low-temperature Li||CFx batteries"的研究论文。Wei Wang，Wang Qiao为论文共同第一作者，陈军、王欢、刘忠范为论文共同通讯作者。

核心亮点

1. 提出“正极结构+界面化学”双相工程，同时解决CFx绝缘、Li⁺扩散慢和LiF堆积三大瓶颈。

2. 采用可放大的PECVD工艺，在CFx中引入约20 nm介孔和原位sp²碳层，使电导率提升8个数量级。

3. 设计MA/DMS低温电解液，在−80 °C仍具有1.16 mS cm⁻¹离子电导率，并能形成DMS衍生富硫CEI。

4. 富低价硫CEI降低Li⁺去溶剂化和穿越界面的能垒，促进LiF向CFx内部均匀生成。

5. Li||PECVD-CFx体系在−50 °C、2 A g⁻¹下容量达428.4 mAh g⁻¹，5 Ah软包在−50和−70 °C下分别实现470和332 Wh kg⁻¹。

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低温Li||CFx电池由于CFx的绝缘特性和迟缓的Li⁺动力学而发生性能衰退。该研究提出一种双重改性策略，将多孔正极结构设计与定制化电极-电解质界面工程结合，以克服这些限制。

该策略包括：一是通过等离子体增强化学气相沉积构筑具有介孔结构和 conformal 碳包覆的CFx；二是借助电解液在CFx表面原位形成富硫无机界面层。

工程化多孔框架建立了高效Li⁺扩散通道，电解液衍生界面显著增强了Li⁺传输和去溶剂化动力学。同时，碳包覆大幅提高电子电导率并抑制LiF堆积。

优化后的Li||CFx体系在−50 °C、2 A g⁻¹下容量达到428.4 mAh g⁻¹，在−70 °C、0.1 A g⁻¹下容量达到333.4 mAh g⁻¹。

实际5 Ah软包电池在0.01 A g⁻¹下，于−50和−70 °C分别实现470和332 Wh kg⁻¹的竞争性比能量。

图文解读

图1 |低温Li||CFx电池失效瓶颈与双相优化策略示意

图1对比传统Li||CFx体系和优化体系。传统体系中，CFx绝缘、CEI不均匀、电解液惰性和LiF堆积共同造成Li⁺/电子传输迟缓；优化体系则通过PECVD介孔碳包覆CFx和MA/DMS电解液形成连续CEI，实现快速动力学与电解液容量接力。

图2 |PECVD处理CFx的形貌、孔结构、键合状态和电导率变化

图2显示PECVD处理可在CFx表面引入介孔并原位生长薄碳层。TEM观察到约20 nm介孔和0.34 nm碳层晶格条纹；XPS表明半离子C-F键和C=C键比例提升；BET结果证明孔结构增强，室温电导率由5 × 10⁻¹²提升至9 × 10⁻⁴ S m⁻¹。

图3 |PECVD-CFx在倍率、厚电极、贫电解液和低温传输中的动力学优势

图3证明PECVD-CFx具有更低DCR、更高DLi⁺和更快LiF生成动力学。该电极在高载量和贫电解液条件下仍能稳定放电，软包电池在25 °C实现789.2 mAh g⁻¹；低温EIS显示其W₀在−50 °C约10 kΩ，比原始CFx低两个数量级。

图4 |MA/DMS低温电解液筛选、溶剂化结构与DMS衍生CEI形成机制

图4围绕电解液设计展开。DMS具有极低凝固点、较高介电常数、强CFx吸附和合适HOMO/LUMO能级；MA降低黏度并提升传输动力学。

MA:DMS=1:1时在−80 °C仍有1.16 mS cm⁻¹电导率，DMS主导Li⁺溶剂化并有利于形成DMS衍生CEI。

图5 |MA/DMS中富硫CEI在放电过程中的组成演化和形貌稳定性

图5揭示DMS先在CFx表面形成富高价硫的预CEI，放电后逐渐转化为富低价硫界面。XPS、TOF-SIMS和TEM共同表明，该界面薄而均匀，厚度约4 nm，可稳定引导Li⁺传输；相比之下，EC/DEC或PC/DME中会形成厚且不连续的LiF堆积层。

图6 |低价硫CEI降低Li⁺去溶剂化与界面迁移能垒

图6通过原位EIS、DRT分析和DFT计算说明低价硫CEI的动力学作用。由HS-p-CEI转化为LS-CEI后，Rct和RCEI在低温下明显降低，Li⁺去溶剂化能垒和穿越CEI能垒分别降至35.2和31.0 kJ mol⁻¹；Li₂S还表现出最强Li⁺亲和力和最低迁移能垒。

图7 |Li||PECVD-CFx在宽温区、高倍率和5 Ah软包中的低温性能

图7展示最终器件性能。Li||PECVD-CFx在MA/DMS中于−50 °C、2 A g⁻¹下容量达428.4 mAh g⁻¹，在−70 °C仍可输出333.4 mAh g⁻¹；

高载量、贫电解液和薄锂条件下仍保持低温放电能力，5 Ah软包在−50和−70 °C实现470和332 Wh kg⁻¹。

总结

综上，该研究通过正极本体和界面双相工程，建立了适用于低温Li||CFx一次电池的协同动力学调控策略。PECVD处理在CFx中构筑介孔和sp²碳包覆层，显著提升电子传导和Li⁺向颗粒内部扩散的能力，减少表面LiF堆积并提高氟利用率。

MA/DMS电解液进一步在CFx表面形成DMS衍生富硫CEI，并在放电过程中转化为富低价硫界面，从而降低Li⁺去溶剂化和界面迁移能垒。

两者协同使Li||PECVD-CFx电池在宽温区、低温高倍率、贫电解液以及5 Ah软包条件下展现出优异性能，为面向极寒环境的一次锂电池提供了可放大的材料与界面设计方案。

Dual-phase engineering of CFx electrode and interphase enables low-temperature Li||CFx batteries,Nature Communications,2026,DOI:10.1038/s41467-026-76513-4

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