充一次電讓手機(jī)用幾周，或者讓電動(dòng)汽車跑1000公里，這是消費(fèi)者的夢(mèng)想，也是研究人員的重要方向，他們希望研制出比當(dāng)下主流的鋰離子電池更先進(jìn)的替代品。現(xiàn)在，出現(xiàn)在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)新研究，或許能解決這個(gè)問(wèn)題。

在這個(gè)項(xiàng)目中，研究員均出自幾家大名鼎鼎的機(jī)構(gòu)，包括NASA出錢(qián)、加州理工學(xué)院運(yùn)作的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)，以及本田研究所、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。研究人員提出，拋棄鋰離子，研究基于氟離子的新型電池，可能是解決手機(jī)“續(xù)航焦慮”和電動(dòng)汽車“里程焦慮”的最佳出路。

“氟電池具有更高的能量密度，這意味著它們的使用壽命可能比現(xiàn)在使用的電池長(zhǎng)8倍，”項(xiàng)目研究員、加州理工學(xué)院化學(xué)教授、2005年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主格拉布(RobertGrubbs)說(shuō)，“難點(diǎn)是，氟化物可能很難處理，尤其是它具有很強(qiáng)的腐蝕性和活性。”

在電池領(lǐng)域，氟并不是新東西。早在20世紀(jì)70年代，研究人員就曾試圖利用固態(tài)電解質(zhì)制造可充電氟化物電池，但固態(tài)電解質(zhì)的氟離子電池只能在高達(dá)170℃的溫度下工作，因此不適合日常使用，同時(shí)，其循環(huán)穩(wěn)定性差，容量衰降過(guò)快，也是一大問(wèn)題。在新的研究中，團(tuán)隊(duì)的主攻方向是，使用液體元件讓氟化物電池在室溫下使用。

JPL化學(xué)家、研究論文通訊作者瓊斯(SimonJones)表示，項(xiàng)目目前仍處于研發(fā)的早期階段，其意義在于，如果成功，這將是首個(gè)在室溫下工作的可充電氟化物電池。

相較鋰離子電池，氟離子電池的充放電原理并無(wú)二致。鋰離子電池通過(guò)Li+在正負(fù)極之間往返穿梭，反復(fù)嵌入和脫出正負(fù)極的晶體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的目的。而能夠在正負(fù)極之間攜帶電荷的離子很多，例如H+、Na+、Mg2+等都可以作為正負(fù)極之間的載流子。之所以選擇Li+，主要是由于質(zhì)量輕、電勢(shì)低，能夠顯著的提高儲(chǔ)能電池的能量密度。同時(shí)，在室溫下，當(dāng)使用液體電解質(zhì)作為載體，會(huì)讓這種穿梭過(guò)程更容易進(jìn)行。因此，傳統(tǒng)鋰離子電池都是液態(tài)電池。

不同點(diǎn)在于，鋰電池中的離子是正離子，也就是Li+，而在新研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用的氟離子帶有的是負(fù)電荷，也就是F-。這種改變既有挑戰(zhàn)，也有優(yōu)點(diǎn)。在元素周期表中，F(xiàn)元素是電負(fù)性最高的元素，因此F原子一但得到電子成為F-，就變得十分穩(wěn)定，因此F-非常適合作為電池中的載流子。

要想讓電池續(xù)航更長(zhǎng)，舊要移動(dòng)更多的例子。研究人員發(fā)現(xiàn)，只需單獨(dú)移動(dòng)幾個(gè)帶電的陰離子，就可以得到移動(dòng)大團(tuán)帶電陽(yáng)離子相似的結(jié)果，非常簡(jiǎn)單。

“這個(gè)方案的挑戰(zhàn)是讓系統(tǒng)在可用電壓下工作。而在新的研究中，我們證明了在提供足夠高電壓時(shí)，氟化物可以工作，因此，陰離子確實(shí)值得電池科學(xué)的關(guān)注，”瓊斯表示。

過(guò)去，日本東京大學(xué)的Ken-ichiOkazaki曾使用1-甲基-1丙基哌啶氟(MPPF)作為電解質(zhì)鹽，N,N,N-三甲基-N-丙基雙(三氟甲磺酰基)酰胺TMPA-TFSA作為溶劑制備電解質(zhì)，制造出了可以在常溫下進(jìn)行充放電的氟離子電池。

在新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，一種叫做2,2,2-三氟乙基醚(BTFE)的物質(zhì)是更好的選擇。這種惰性溶劑幫助氟離子保持穩(wěn)定，這樣它就可以在電池中來(lái)回穿梭電子。不過(guò)，據(jù)小編查詢，將BTFE用于電池電解質(zhì)，并非這項(xiàng)研究的創(chuàng)舉。

在今年8月《先進(jìn)材料》雜志發(fā)表的一篇論文中，美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的張繼光博士團(tuán)隊(duì)就提出了BTFE應(yīng)用的可能，不過(guò)，他們當(dāng)時(shí)論證的是BTFE用在鋰金屬電池中的可能性。

據(jù)其所述，在電解質(zhì)溶劑中加入BTFE有2大好處：1、采用BTFE溶劑對(duì)高濃度電解液進(jìn)行稀釋，可以降低高濃度電解液的成本和黏度，提高離子電導(dǎo)率和電化學(xué)高壓窗口;2、BTFE不溶解鋰鹽，不會(huì)改變?cè)啕}電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，從而形成局部高濃度的溶劑化結(jié)構(gòu)，仍具有高鹽電解液在穩(wěn)定電極|電解液界面方面的優(yōu)異性能。

在成果介紹中，該團(tuán)隊(duì)表示，這種新型“局部高濃度電解液”在保持高濃度電解液穩(wěn)定電極|電解液界面優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，獲得了低濃度、低成本、低黏度、高離子電導(dǎo)率、優(yōu)異的潤(rùn)濕性等特點(diǎn)。這種局部高濃度電解液未來(lái)可應(yīng)用于其他電池體系、傳感器、超級(jí)電容器等電化學(xué)體系。

瓊斯說(shuō)，團(tuán)隊(duì)中第一個(gè)想到嘗試BTFE的人，是他在北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校帶的實(shí)習(xí)生戴維斯(VictoriaDavis)。一開(kāi)始，瓊斯對(duì)BTFE的效果并沒(méi)有抱多大希望，但團(tuán)隊(duì)還是決定試試看，沒(méi)相當(dāng)，最終出來(lái)的效果驚人得好。

在這一點(diǎn)上，瓊斯向JPL化學(xué)家米勒(ThomasMiller)咨詢，以理解這個(gè)解決方案的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)電池反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，米勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)找到了BTFE對(duì)氟化物穩(wěn)定性的部分幫助。在此基礎(chǔ)上，研究小組對(duì)BTFE溶液進(jìn)行了調(diào)整，加入了一些其他成分，以提高其性能和穩(wěn)定性。由于《科學(xué)》網(wǎng)站尚未發(fā)布這篇論文，暫時(shí)無(wú)從得知其溶液配方。

不過(guò)，這項(xiàng)研究只是提出了解決電解質(zhì)問(wèn)題的新方案，要開(kāi)發(fā)可用的氟離子電池，電池正負(fù)極材料同樣是難點(diǎn)。雖然氟離子電池在理論上具有遠(yuǎn)高于鋰離子電池的重量能量密度和體積能量密度，但是由于電極材料的限制，使得氟離子電池很難達(dá)到其理論上的能量密度。例如，雖然很多金屬氟化物著很高的理論比容量，但是由于F-嵌入過(guò)程中對(duì)其結(jié)構(gòu)的破壞，造成其不可逆容量較大，因此很難發(fā)揮出理論上的高容量。

常見(jiàn)的氟離子電池正極材料鉍(Bi)，當(dāng)與三氟化鈰(CeF3)組成電池時(shí)，充電容量可達(dá)400mAh/g(4V)，但是放電容量?jī)H為20mAh/g(2.3V)，同樣的現(xiàn)象還發(fā)生在氟化鈣/鉍(CaF2/Bi)和氟化鎂/鉍(MgF2/Bi)電池上，因此為氟離子電池尋找合適的正極材料是提高氟離子電池能量密度的關(guān)鍵。

研究顯示，之所以會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)樵诔潆娺^(guò)程中，BiF3的形成導(dǎo)致Bi金屬表面變的非常粗糙，導(dǎo)電性下降，從而導(dǎo)致在還原過(guò)程中，部分BiF3無(wú)法發(fā)生還原反應(yīng)。

氟離子電池雖然具有眾多的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是從理論重量比能量還是體積比能量上都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子電池，但是氟離子電池目前還處在研究的初期階段。瓊斯自己對(duì)此倒是信心滿滿，他說(shuō):“我們正在開(kāi)發(fā)一種制造更耐用電池的新方法。氟正在電池中卷土重來(lái)。”

當(dāng)然，作為電池行業(yè)“元老”的鋰，并沒(méi)有完全被業(yè)界放棄。在鋰離子電池已經(jīng)到達(dá)極限的情況下，對(duì)前文說(shuō)到的鋰金屬電池的研究，有了復(fù)興之勢(shì)。

之所以用“復(fù)興”這個(gè)詞，是因?yàn)殇嚱饘匐姵卦缇统霈F(xiàn)過(guò)，相關(guān)概念在100多年前就已提出，上世紀(jì)70年代，美國(guó)的恵廷漢(M.S.Whittingham)采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池。

不過(guò)，鋰金屬電池有個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。在鋰電池充電過(guò)程中，活性鋰會(huì)在負(fù)極金屬鋰箔表面發(fā)生不均勻沉積，多次循環(huán)之后就會(huì)形成一種樹(shù)枝狀異物——枝晶，鋰枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)不斷消耗電解液并導(dǎo)致金屬鋰的不可逆沉積，造成放電效率下降;鋰枝晶的形成甚至還會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸。

不僅鋰金屬電池，在鋰離子電池上，枝晶一樣會(huì)出現(xiàn)，其中最著名的例子就是三星著名的GalaxyNote7“爆炸門(mén)”。

在鋰離子電池中，通常會(huì)在正負(fù)極之間放置一層電芯隔膜，防止電池用久、電芯膨大之后正負(fù)極接觸短路。在三星“爆炸門(mén)”出現(xiàn)后，有人認(rèn)為，是因?yàn)槿菫榱颂岣唠姵啬芰棵芏群统浞烹娦剩瑝嚎s了隔膜厚度，導(dǎo)致內(nèi)部的鋰枝晶非常輕易地刺穿了隔膜，連在一起，導(dǎo)致短路。

相較而言，鋰離子電池形成枝晶的速度較慢，因此成為主流的選擇。而鋰金屬電池在出現(xiàn)幾次事故后，基本被放棄作為充電電池使用，我們通常見(jiàn)到的，都是一次性鋰電池。

不過(guò)，在科學(xué)家的艱苦攻關(guān)下，鋰金屬電池的命運(yùn)迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。今年3月，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校(UIC)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種以氧化石墨烯為涂層的“納米片”來(lái)解決這一問(wèn)題：將這種納米片置于鋰金屬電池的兩個(gè)電極之間能夠防