Science述評:氟離子電池怎麼了?噢!可以室溫充放電了

2021-02-23 ScienceAAAS

中科院青促會 張洪章

（中科院大連化學物理研究所）


評述論文：Room-temperature cycling of metal fluoride electrodes: Liquid electrolytes for high-energy fluoride ion cells（Science 7 Dec 2018: Vol 362, Issue 6419）

     

在新能源大規模推廣的背景下，各類電化學儲能技術在最近20年獲得了快速發展，例如液流電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、鉛炭電池、鋰離子混合超級電容器等。其中，鋰離子電池的發展最受矚目，在3C數碼、電動車、大規模儲能領域都已經獲得大量應用。鋰離子電池的原理是通過Li+在正負極之間往返穿梭，反覆在嵌入和脫出正負極的晶體結構，從而實現儲能的目的。目前，鋰離子電池的能量密度逐漸接近其天花板，採用液態電解質的鋰離子電池所暴露出來的安全性問題也逐漸引起人們的擔憂。科學家們一直在嘗試開發新的、更好的電池技術。其實，能夠在正負極之間攜帶電荷的離子很多，例如H+、OH-、Na+、Al3+、Mg2+等，都可以作為正負極之間的載流子。F-離子也可以作為載流子在電池中應用，姑且稱這一類電池為氟離子電池。

     

氟離子電池在上世紀70年代就已經提出。但是，當時的氟離子電池使用固態離子導體，一般需要在150℃以上的溫度才能正常工作。即使採用超薄固態電解質，也需要80℃的工作溫度。如何實現氟離子在室溫下的傳導，成為氟離子電池研製的首要難題。本文首次發現了使用四烷基胺·氟鹽作為電解質、使用氟代醚作為溶劑，可以實現室溫下3mS/cm的氟離子電導率。該電解液的電導率已經與鋰離子在有機電解液中的電導率接近，而且還具有寬達4.1V的電壓窗口。在此基礎上，作者採用碳氟化物預包覆的Ce/CeF3作為負極、採用LaF3包覆的Cu/CuF2核殼結構材料作為正極，首次製備出了可以在室溫下可逆充放電的、採用液體電解質的氟離子電池。

圖1，氟鹽電解液在25℃下的基本物化性質

 

儘管本文的電池性能與商品化的鋰離子電池相比還有較大差距，但是無疑已經是開創性的成果，而且作者對研究過程中遇到的各種問題都進行了必要的分析，為開展後續研究工作提供了很大的便利。氟離子電池未來能發展成什麼樣？值得期待！至少，人們可以在本文的工作基礎上進行更多的大膽嘗試。在此要感謝美國加州理工學院的Simon C. Jones教授團隊、美國本田研究院和勞倫斯伯克利國家實驗室的20多名學者做出的重要貢獻。

圖2，電極材料在氟鹽電解液中的室溫電化學性能

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