科学家发现氟有可能替代锂用于可充电电池

文/蒋 怡

氟是一种储量相对丰富的轻质元素。随着现代技术（尤其是电动汽车）越来越多地使用可充电电池，研究人员一直在寻找锂离子替代材料，以用于可充电电池。据外媒报道，圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院（McKelvey School of Engineering）的材料科学家们，在氟中发现了一种潜在的锂替代品，氟是一种储量相对丰富的轻质元素。

有趣的是，氟离子与锂离子正好相反，对电子的吸引力最强，很容易发生电化学反应。日本的研究人员也在进行测试，在汽车中将氟离子电池作为锂离子电池的可能替代品。据介绍，使用这些电池，可以使电动汽车单次充电运行1 000千米。然而，现有氟离子电池的循环性能较差，经过充放电循环过程，往往会迅速降解。

研究人员Steven Hartman和Rohan Mishra采用新方法设计氟离子电池。他们发现两种材料很容易获得或失去氟离子，在实现良好循环性的同时结构变化很小。机械工程和材料科学系的助理教授Mishra表示，这些新电池材料均为层状电子化合物。

电子化合物是一种相对较新的材料，可以像普通金属一样传导电子，但与金属中的“电子海”不同（金属中的电子分散在整个晶体中），在电子化合物中，电子驻留在晶体结构中的特定间隙位置，这有点类似于离子。Mishra表示：“根据我们的预测，氟离子可以很容易地取代这些间隙电子，而不会导致晶体结构发生明显变形，从而实现可循环性。此外，由于层状电子化合物的结构相对开放，氟离子可以轻松地移动或扩散。”

材料科学与工程学院的校友Hartman利用量子力学计算方法，对数十个潜在电池候选项进行测试。通过计算机化测试，将氟化物引入层状电子化合物氮化二钙钙和次碳化钇的间隙中，使其储能能力接近锂离子电池。以氮化二钙为例，它由相对丰富的元素组成，有助于克服目前锂离子电池存在的供应不足问题。

Hartman与Mishra团队就彼此的研究工作进行比照，后者利用机器学习“大数据”技术来筛选数千种候选项。Hartman表示：“原则上，你可以通过在常规电极中大量加入氟离子来提高电荷储量。然而，实际上这些理论容量很难控制。当我们往常规电极中加入氟化物时，它们会在充放电时急剧膨胀和收缩，有可能导致破裂和失去电接触。”

对于制造耐用的氟化物电池而言，尽可能减少体积和形状变化至关重要。Hartman表示：“据我们推测，在层状电子化合物材料中，添加和去除氟离子可以使结构发生明显较小的结构变化，有助于延长循环寿命。”Mishra的实验室正在寻求与其他研究人员合作，以合成本项研究发现的电子化合物，并在原型电池中进行测试。