科學家發現氟有可能替代鋰用于可充電電池

文/蔣 怡

氟是一種儲量相對豐富的輕質元素。隨著現代技術（尤其是電動汽車）越來越多地使用可充電電池，研究人員一直在尋找鋰離子替代材料，以用于可充電電池。據外媒報道，圣路易斯華盛頓大學麥凱維工程學院（McKelvey School of Engineering）的材料科學家們，在氟中發現了一種潛在的鋰替代品，氟是一種儲量相對豐富的輕質元素。

有趣的是，氟離子與鋰離子正好相反，對電子的吸引力最強，很容易發生電化學反應。日本的研究人員也在進行測試，在汽車中將氟離子電池作為鋰離子電池的可能替代品。據介紹，使用這些電池，可以使電動汽車單次充電運行1 000千米。然而，現有氟離子電池的循環性能較差，經過充放電循環過程，往往會迅速降解。

研究人員Steven Hartman和Rohan Mishra采用新方法設計氟離子電池。他們發現兩種材料很容易獲得或失去氟離子，在實現良好循環性的同時結構變化很小。機械工程和材料科學系的助理教授Mishra表示，這些新電池材料均為層狀電子化合物。

電子化合物是一種相對較新的材料，可以像普通金屬一樣傳導電子，但與金屬中的“電子海”不同（金屬中的電子分散在整個晶體中），在電子化合物中，電子駐留在晶體結構中的特定間隙位置，這有點類似于離子。Mishra表示：“根據我們的預測，氟離子可以很容易地取代這些間隙電子，而不會導致晶體結構發生明顯變形，從而實現可循環性。此外，由于層狀電子化合物的結構相對開放，氟離子可以輕松地移動或擴散。”

材料科學與工程學院的校友Hartman利用量子力學計算方法，對數十個潛在電池候選項進行測試。通過計算機化測試，將氟化物引入層狀電子化合物氮化二鈣鈣和次碳化釔的間隙中，使其儲能能力接近鋰離子電池。以氮化二鈣為例，它由相對豐富的元素組成，有助于克服目前鋰離子電池存在的供應不足問題。

Hartman與Mishra團隊就彼此的研究工作進行比照，后者利用機器學習“大數據”技術來篩選數千種候選項。Hartman表示：“原則上，你可以通過在常規電極中大量加入氟離子來提高電荷儲量。然而，實際上這些理論容量很難控制。當我們往常規電極中加入氟化物時，它們會在充放電時急劇膨脹和收縮，有可能導致破裂和失去電接觸。”

對于制造耐用的氟化物電池而言，盡可能減少體積和形狀變化至關重要。Hartman表示：“據我們推測，在層狀電子化合物材料中，添加和去除氟離子可以使結構發生明顯較小的結構變化，有助于延長循環壽命。”Mishra的實驗室正在尋求與其他研究人員合作，以合成本項研究發現的電子化合物，并在原型電池中進行測試。