作為“下一代電池”的潛在競(jìng)爭(zhēng)者，氟離子電池研發(fā)日益受到關(guān)注。日本豐田和本田公司、德國亥姆霍茲-烏爾姆研究所、美國航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)和中國一些高校已啟動(dòng)相關(guān)研究。

專家認(rèn)為，氟離子電池研發(fā)目前仍處于“極其初級(jí)的階段”，進(jìn)入應(yīng)用還需要攻克許多難題。但氟離子電池潛力大，未來有可能取代鋰離子電池成為主流蓄電池，尤其是室溫全固態(tài)氟離子電池，一旦技術(shù)成熟很可能全面取代鋰離子電池。

四大優(yōu)勢(shì)

在“下一代電池”的諸多方向中，氟離子電池因近年來取得一系列研究突破而備受關(guān)注。其工作原理類似于目前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池，即利用氟離子在正負(fù)極之間穿梭進(jìn)行儲(chǔ)能。專家認(rèn)為，相比于鋰離子電池，氟離子電池在能量密度、安全性、原料供應(yīng)和成本四個(gè)方面有顯著優(yōu)勢(shì)。

追求更高能量密度是可充放電電池研發(fā)的重要目標(biāo)，因?yàn)檫@意味著更強(qiáng)的蓄電能力。文獻(xiàn)資料顯示，全固態(tài)氟離子電池的理論能量密度可接近每升5000瓦時(shí)，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)與工程系教授馬騁日前接受新華社記者采訪時(shí)介紹，氟離子電池使用氟化銅、氟化鈣等化合物作為電極材料，其特定質(zhì)量的電極活性物質(zhì)可提供電荷數(shù)量是鋰離子電池的若干倍，因此能量密度遠(yuǎn)超過鋰離子電池。

在安全性方面，鋰枝晶生長(zhǎng)是影響鋰離子電池安全性的主要原因之一，而氟離子極難被氧化成氟單質(zhì)，可以避免類似于鋰枝晶生長(zhǎng)的問題。

在原料方面，氟元素地殼豐度遠(yuǎn)高于鋰元素，目前全球氟的年產(chǎn)量要比鋰高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，開采鋰礦需要大量水，相比之下開采氟礦對(duì)環(huán)境影響要小得多。

在成本方面，日本大金工業(yè)公司精細(xì)化學(xué)部公布資料顯示，鋰電池中常用的原材料鈷價(jià)格昂貴，而氟離子電池中除了銀，其他正負(fù)極材料成本較低，理論上氟離子電池每瓦時(shí)成本只有鋰離子電池的20%至25%。

三條路線

早在20世紀(jì)70年代，已有科學(xué)家開始研究氟離子電池，但一直未有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。2011年，德國科學(xué)家率先開發(fā)出利用氟化鋇鑭作為電解質(zhì)的全固態(tài)氟離子電池，氟離子電池研發(fā)才獲得更多關(guān)注的目光。

目前，氟離子電池研發(fā)的主要技術(shù)路線大致包括室溫液態(tài)氟離子電池、高溫全固態(tài)氟離子電池和室溫全固態(tài)氟離子電池三種。其中，室溫液態(tài)氟離子電池使用易燃且含氟的有機(jī)溶液作為電解液，有安全和環(huán)境隱患；而高溫全固態(tài)氟離子電池需要在高溫下運(yùn)行，僅可能在儲(chǔ)能或其他特定場(chǎng)景應(yīng)用。

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(jià)值的路線。理論上，室溫全固態(tài)氟離子電池可用于目前鋰離子電池的所有應(yīng)用場(chǎng)景，一旦技術(shù)成熟很可能全面取代鋰離子電池。

日本非常重視氟離子電池研發(fā)，近年來取得一系列重要進(jìn)展。2018年12月，日本本田研究所、美國航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、加州理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)合作在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表論文說，該團(tuán)隊(duì)首次制備出采用液體電解質(zhì)、可在室溫下可逆充放電的氟離子電池。

2020年，日本京都大學(xué)和豐田公司宣布試制成功一種原型全固態(tài)氟離子電池。日本媒體當(dāng)時(shí)報(bào)道說，在同樣尺寸或重量下，氟離子電池可提供比鋰離子電池更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，電動(dòng)汽車一次充電續(xù)航1000公里將是“伸手可以觸及的未來”。

馬騁教授課題組從事室溫全固態(tài)氟離子電池研究。2021年11月，課題組在德國《斯莫爾》雜志上發(fā)表論文宣布設(shè)計(jì)并合成一種新型氟離子固態(tài)電解質(zhì)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)室溫下全固態(tài)氟離子電池的穩(wěn)定長(zhǎng)循環(huán)，在25攝氏度下持續(xù)充放電4581小時(shí)后，電池容量未發(fā)生顯著衰減。在此之前，文獻(xiàn)中報(bào)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)為是一種難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線。

前景和挑戰(zhàn)

馬騁表示，要使電動(dòng)汽車一次充電續(xù)航1000公里以上，鋰離子電池也有可能實(shí)現(xiàn)，但如果想要通過電池讓大型貨車、船舶、飛機(jī)等更大功率的交通工具達(dá)到令人滿意的續(xù)航里程，就需要尋找能量密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池的儲(chǔ)能技術(shù)，而氟離子電池就是這類技術(shù)中一個(gè)很有前景的方向。

“氟離子電池研發(fā)目前還處于極其初級(jí)的階段。研究者仍在摸索適合的材料體系，具有實(shí)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值的體系尚未出現(xiàn)?！瘪R騁強(qiáng)調(diào)，氟離子電池的基礎(chǔ)研究階段仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括研究者尚未找到具備足夠優(yōu)異循環(huán)性能的正負(fù)極材料，以及兼具商業(yè)化價(jià)值和優(yōu)異性能的電解質(zhì)等。

馬騁認(rèn)為，要想使氟離子電池技術(shù)盡快體現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值，目前仍需增加基礎(chǔ)研究投入，解決電極材料、電解質(zhì)材料等一系列與基礎(chǔ)研究有關(guān)的難題。