科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氟有可能替代鋰用于可充電電池

文/蔣 怡

氟是一種儲(chǔ)量相對(duì)豐富的輕質(zhì)元素。隨著現(xiàn)代技術(shù)（尤其是電動(dòng)汽車(chē)）越來(lái)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(jù)外媒報(bào)道，圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院（McKelvey School of Engineering）的材料科學(xué)家們，在氟中發(fā)現(xiàn)了一種潛在的鋰替代品，氟是一種儲(chǔ)量相對(duì)豐富的輕質(zhì)元素。

有趣的是，氟離子與鋰離子正好相反，對(duì)電子的吸引力最強(qiáng)，很容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。日本的研究人員也在進(jìn)行測(cè)試，在汽車(chē)中將氟離子電池作為鋰離子電池的可能替代品。據(jù)介紹，使用這些電池，可以使電動(dòng)汽車(chē)單次充電運(yùn)行1 000千米。然而，現(xiàn)有氟離子電池的循環(huán)性能較差，經(jīng)過(guò)充放電循環(huán)過(guò)程，往往會(huì)迅速降解。

研究人員Steven Hartman和Rohan Mishra采用新方法設(shè)計(jì)氟離子電池。他們發(fā)現(xiàn)兩種材料很容易獲得或失去氟離子，在實(shí)現(xiàn)良好循環(huán)性的同時(shí)結(jié)構(gòu)變化很小。機(jī)械工程和材料科學(xué)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(duì)較新的材料，可以像普通金屬一樣傳導(dǎo)電子，但與金屬中的“電子?！辈煌ń饘僦械碾娮臃稚⒃谡麄€(gè)晶體中），在電子化合物中，電子駐留在晶體結(jié)構(gòu)中的特定間隙位置，這有點(diǎn)類(lèi)似于離子。Mishra表示：“根據(jù)我們的預(yù)測(cè)，氟離子可以很容易地取代這些間隙電子，而不會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形，從而實(shí)現(xiàn)可循環(huán)性。此外，由于層狀電子化合物的結(jié)構(gòu)相對(duì)開(kāi)放，氟離子可以輕松地移動(dòng)或擴(kuò)散?！?/p>

材料科學(xué)與工程學(xué)院的校友Hartman利用量子力學(xué)計(jì)算方法，對(duì)數(shù)十個(gè)潛在電池候選項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)計(jì)算機(jī)化測(cè)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(chǔ)能能力接近鋰離子電池。以氮化二鈣為例，它由相對(duì)豐富的元素組成，有助于克服目前鋰離子電池存在的供應(yīng)不足問(wèn)題。

Hartman與Mishra團(tuán)隊(duì)就彼此的研究工作進(jìn)行比照，后者利用機(jī)器學(xué)習(xí)“大數(shù)據(jù)”技術(shù)來(lái)篩選數(shù)千種候選項(xiàng)。Hartman表示：“原則上，你可以通過(guò)在常規(guī)電極中大量加入氟離子來(lái)提高電荷儲(chǔ)量。然而，實(shí)際上這些理論容量很難控制。當(dāng)我們往常規(guī)電極中加入氟化物時(shí)，它們會(huì)在充放電時(shí)急劇膨脹和收縮，有可能導(dǎo)致破裂和失去電接觸?！?/p>

對(duì)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(guān)重要。Hartman表示：“據(jù)我們推測(cè)，在層狀電子化合物材料中，添加和去除氟離子可以使結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯較小的結(jié)構(gòu)變化，有助于延長(zhǎng)循環(huán)壽命?！盡ishra的實(shí)驗(yàn)室正在尋求與其他研究人員合作，以合成本項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的電子化合物，并在原型電池中進(jìn)行測(cè)試。