氟離子電池優(yōu)缺點(diǎn)(氟離子電池工作原理)

新華社東京12月25日電新聞分析：氟離子電池距離普及還有多遠(yuǎn)？

新華社記者錢錚

作為“下一代電池”的潛在競爭對手，氟離子電池的研發(fā)日益受到關(guān)注。日本豐田、本田、德國亥姆霍茲-烏爾姆研究所、美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室以及中國一些大學(xué)等機(jī)構(gòu)均已開展相關(guān)研究。

專家認(rèn)為，氟離子電池的研發(fā)仍處于“極初級階段”，在進(jìn)入應(yīng)用前仍需克服許多問題。但氟離子電池潛力巨大，未來可能取代鋰離子電池成為主流電池，尤其是室溫全固態(tài)氟離子電池。一旦技術(shù)成熟，它們很可能完全取代鋰離子電池。

四大優(yōu)勢

在“下一代電池”的眾多方向中，氟離子電池由于近年來取得的一系列研究突破而備受關(guān)注。其工作原理與目前廣泛使用的鋰離子電池類似，利用氟離子在正負(fù)極之間穿梭來儲存能量。專家認(rèn)為，與鋰離子電池相比，氟離子電池在能量密度、安全性、原材料供應(yīng)和成本等方面具有顯著優(yōu)勢。

追求更高的能量密度是充電電池研發(fā)的重要目標(biāo)，因為這意味著更強(qiáng)的蓄電能力。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，全固態(tài)氟離子電池的理論能量密度可接近5000瓦時/升，是鋰離子電池理論極限的8倍。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授馬成日前接受新華社采訪時表示，氟離子電池采用氟化銅、氟化鈣等化合物作為電極材料。特定質(zhì)量的電極活性物質(zhì)所能提供的電荷量是鋰離子電池的數(shù)倍，因此能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋰離子電池。

在安全性方面，鋰枝晶生長是影響鋰離子電池安全的主要原因之一，而氟離子極難被氧化成氟元素，可以避免類似鋰枝晶生長的問題。

從原料來看，地殼中氟的豐度遠(yuǎn)高于鋰。目前全球氟的年產(chǎn)量比鋰高出約兩個數(shù)量級。此外，開采鋰礦需要大量的水，而開采氟礦對環(huán)境的影響要小得多。

成本方面，日本大金工業(yè)公司精細(xì)化學(xué)部公布的數(shù)據(jù)顯示，鋰電池常用的原材料鈷價格昂貴，而氟離子電池中，除銀外，其他正負(fù)極材料成本較低。理論上，氟離子電池每瓦的成本僅為鋰離子電池的20%至25%。

三個路線

早在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家就開始研究氟離子電池，但一直沒有實質(zhì)性進(jìn)展。2011年，德國科學(xué)家率先開發(fā)出采用氟化鋇鑭作為電解質(zhì)的全固態(tài)氟離子電池。直到那時，氟離子電池的研發(fā)才得到更多關(guān)注。

目前，氟離子電池研發(fā)的主要技術(shù)路線一般包括常溫液態(tài)氟離子電池、高溫全固態(tài)氟離子電池、常溫全固態(tài)氟離子電池三種類型。固態(tài)氟離子電池。其中，常溫液態(tài)氟離子電池采用易燃、含氟有機(jī)溶液作為電解質(zhì)，存在安全和環(huán)境風(fēng)險；而高溫全固態(tài)氟離子電池需要在高溫下工作，只能用于儲能或其他特定場景。

室溫全固態(tài)氟離子電池被認(rèn)為是三種技術(shù)路線中最有價值的。理論上，常溫全固態(tài)氟離子電池可以用于目前鋰離子電池的所有應(yīng)用場景，一旦技術(shù)成熟，很可能完全取代鋰離子電池。

日本高度重視氟離子電池的研發(fā)，近年來取得了一系列重要進(jìn)展。2018年12月，日本本田研究所、NASA噴氣推進(jìn)實驗室、加州理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)聯(lián)合在美國雜志《科學(xué)》上發(fā)表論文，稱團(tuán)隊首次制備出可可逆充電的液態(tài)電解質(zhì)并在室溫下放電。氟離子電池。

2020年，京都大學(xué)和豐田宣布成功試制原型全固態(tài)氟離子電池。日本媒體當(dāng)時報道稱，在相同尺寸或重量下，氟離子電池可以提供比鋰離子電池更長的電池壽命，一次充電續(xù)航里程達(dá)1000公里的電動汽車將是“觸手可及的未來”?！?/p>

馬成教授課題組從事室溫全固態(tài)氟離子電池研究。2021年11月，研究團(tuán)隊在德國《斯莫爾》雜志上發(fā)表論文，宣布設(shè)計合成新型氟離子固體電解質(zhì)，全球首次實現(xiàn)全固體穩(wěn)定長期循環(huán)常溫狀態(tài)氟離子電池，可持續(xù)25攝氏度。經(jīng)過4581小時的充放電，電池容量并沒有明顯下降。此前，文獻(xiàn)報道的室溫全固態(tài)氟離子電池充放電循環(huán)次數(shù)不超過20次，被普遍認(rèn)為是一條無法實現(xiàn)的技術(shù)路線。

前景與挑戰(zhàn)

馬成表示，要讓電動汽車一次充電續(xù)航超過1000公里，鋰離子電池也是可以的，但如果想用電池讓大型卡車、輪船、飛機(jī)等達(dá)到滿意的續(xù)航里程，動力更強(qiáng)的車輛，需要尋找能量密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池的儲能技術(shù)，而氟離子電池是此類技術(shù)的一個有前途的方向。

“氟離子電池的研發(fā)仍處于極其初級的階段，研究人員仍在探索合適的材料體系，具有實用和商業(yè)價值的系統(tǒng)尚未出現(xiàn)。”馬成強(qiáng)調(diào)，氟離子電池基礎(chǔ)研究階段仍面臨諸多挑戰(zhàn)。包括研究人員尚未找到具有足夠優(yōu)異循環(huán)性能的正負(fù)極材料，以及兼具商業(yè)價值和優(yōu)異性能的電解質(zhì)。

馬成認(rèn)為，氟離子電池技術(shù)要盡快體現(xiàn)其應(yīng)用價值，仍需加大基礎(chǔ)研究投入，解決電極材料、電解質(zhì)材料等一系列基礎(chǔ)研究相關(guān)問題。