氟化物电池的理论能量密度比锂离子电池高 10 倍,想像你的手机和电脑充一次电就可以撑过数天的前景。可惜目前氟化物电池只能在高温环境中发挥导电性能,无法落实到日常,直到最近来自数个研究机构的科学家合作,终于开发出首款可在室温下工作的可充电氟化物电池,准备让氟化物卷土重来。
氟化物电池(fluoride-based battery,FIB)是锂离子电池的一大潜在劲敌,氟和锂那犹如阴阳两面的关系也很耐人寻味:锂是元素周期表中电正性(electropositivity)极高的元素,代表它喜欢丢掉电子;氟则是元素周期表中电负性(electronegativity)最强的元素,代表它最喜欢捕捉电子。
而新研究共同作者、加州理工学院化学教授 Robert Grubbs(2005 年诺贝尔化学奖得主)指出,氟化物电池的理论能量密度比锂离子电池还要高 10 倍,充饱电后使用时间可延长 8 倍,可惜它的重大缺点在于氟化物具腐蚀性、极度活泼,一不小心就会反应太激烈。
此外,1970 年代左右,研究人员也试图开发可充电的氟化物固态电池,但最终电解质氟化物只能在高于 150℃ 的环境中导电,无法落实到日常电器应用;而氟离子又只擅长溶解在固体电解质中,故这些年来,采用液态电解质的氟化物电池迟迟没有重大进展。
已知化学电池结构分成正极、负极与电解质,其电流靠带电原子或离子在电池正、负极间来回穿梭产生,室温状态下,离子于液态电解质中移动起来更游刃有余,所以绝大多数商业化电池都以液态电解质为主。
现在,来自普渡大学化学工程助理教授 Brett Savoie(去年在加州理工学院)、NASA 喷射推进实验室(JPL)、本田研究所(honda research institute)、劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)等机构的研究人员,终于找到一种可让氟化物在室温下溶解的液态电解质,开发出首款室温可充电氟化物电池。
该液体电解质的关键为 BTFE 分子(bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether),这使得溶剂有助于氟离子在电池内部稳定来回穿梭。
▲ 氟离子(粉红色)被 BTFE 分子包围。(Source:Brett Savoie/普渡大学)
下一步,研究人员希望延长氟化物电池阴极与阳极的寿命,目前正在钻研如何让铜阴极与这种电解质更和平相处。
氟离子电池比锂离子电池安全,没有过热风险,如果未来可于室温下操作的可充电氟化物电池走出实验室,那么我们离手机充一次电使用数天的现实也将更进一步。新论文发表在《科学》(Science)期刊。
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(首图来源:加州理工学院取自 Brett Savoie/普渡大学)