充一次電讓手機用幾周，或者讓電動汽車跑1000公里，這是消費者的夢想，也是研究人員的重要方向，他們希望研制出比當下主流的鋰離子電池更先進的替代品?，F(xiàn)在，出現(xiàn)在《科學》雜志上的一項新研究，或許能解決這個問題。

在這個項目中，研究員均出自幾家大名鼎鼎的機構，包括NASA出錢、加州理工學院運作的噴氣推進實驗室(JPL)，以及本田研究所、勞倫斯伯克利國家實驗室。研究人員提出，拋棄鋰離子，研究基于氟離子的新型電池，可能是解決手機“續(xù)航焦慮”和電動汽車“里程焦慮”的最佳出路。

“氟電池具有更高的能量密度，這意味著它們的使用壽命可能比現(xiàn)在使用的電池長8倍，”項目研究員、加州理工學院化學教授、2005年諾貝爾化學獎得主格拉布(RobertGrubbs)說，“難點是，氟化物可能很難處理，尤其是它具有很強的腐蝕性和活性?！?br/>
在電池領域，氟并不是新東西。早在20世紀70年代，研究人員就曾試圖利用固態(tài)電解質制造可充電氟化物電池，但固態(tài)電解質的氟離子電池只能在高達170℃的溫度下工作，因此不適合日常使用，同時，其循環(huán)穩(wěn)定性差，容量衰降過快，也是一大問題。在新的研究中，團隊的主攻方向是，使用液體元件讓氟化物電池在室溫下使用。

JPL化學家、研究論文通訊作者瓊斯(SimonJones)表示，項目目前仍處于研發(fā)的早期階段，其意義在于，如果成功，這將是首個在室溫下工作的可充電氟化物電池。

相較鋰離子電池，氟離子電池的充放電原理并無二致。鋰離子電池通過Li+在正負極之間往返穿梭，反復嵌入和脫出正負極的晶體結構，從而實現(xiàn)儲能的目的。而能夠在正負極之間攜帶電荷的離子很多，例如H+、Na+、Mg2+等都可以作為正負極之間的載流子。之所以選擇Li+，主要是由于質量輕、電勢低，能夠顯著的提高儲能電池的能量密度。同時，在室溫下，當使用液體電解質作為載體，會讓這種穿梭過程更容易進行。因此，傳統(tǒng)鋰離子電池都是液態(tài)電池。

不同點在于，鋰電池中的離子是正離子，也就是Li+，而在新研究中，研究團隊使用的氟離子帶有的是負電荷，也就是F-。這種改變既有挑戰(zhàn)，也有優(yōu)點。在元素周期表中，F(xiàn)元素是電負性最高的元素，因此F原子一但得到電子成為F-，就變得十分穩(wěn)定，因此F-非常適合作為電池中的載流子。

要想讓電池續(xù)航更長，舊要移動更多的例子。研究人員發(fā)現(xiàn)，只需單獨移動幾個帶電的陰離子，就可以得到移動大團帶電陽離子相似的結果，非常簡單。

“這個方案的挑戰(zhàn)是讓系統(tǒng)在可用電壓下工作。而在新的研究中，我們證明了在提供足夠高電壓時，氟化物可以工作，因此，陰離子確實值得電池科學的關注，”瓊斯表示。

過去，日本東京大學的Ken-ichiOkazaki曾使用1-甲基-1丙基哌啶氟(MPPF)作為電解質鹽，N,N,N-三甲基-N-丙基雙(三氟甲磺?；?酰胺TMPA-TFSA作為溶劑制備電解質，制造出了可以在常溫下進行充放電的氟離子電池。

在新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，一種叫做2,2,2-三氟乙基醚(BTFE)的物質是更好的選擇。這種惰性溶劑幫助氟離子保持穩(wěn)定，這樣它就可以在電池中來回穿梭電子。不過，據小編查詢，將BTFE用于電池電解質，并非這項研究的創(chuàng)舉。

在今年8月《先進材料》雜志發(fā)表的一篇論文中，美國西北太平洋國家實驗室的張繼光博士團隊就提出了BTFE應用的可能，不過，他們當時論證的是BTFE用在鋰金屬電池中的可能性。

據其所述，在電解質溶劑中加入BTFE有2大好處：1、采用BTFE溶劑對高濃度電解液進行稀釋，可以降低高濃度電解液的成本和黏度，提高離子電導率和電化學高壓窗口;2、BTFE不溶解鋰鹽，不會改變原高鹽電解液的溶劑化結構，從而形成局部高濃度的溶劑化結構，仍具有高鹽電解液在穩(wěn)定電極|電解液界面方面的優(yōu)異性能。

在成果介紹中，該團隊表示，這種新型“局部高濃度電解液”在保持高濃度電解液穩(wěn)定電極|電解液界面優(yōu)點的同時，獲得了低濃度、低成本、低黏度、高離子電導率、優(yōu)異的潤濕性等特點。這種局部高濃度電解液未來可應用于其他電池體系、傳感器、超級電容器等電化學體系。

瓊斯說，團隊中第一個想到嘗試BTFE的人，是他在北卡羅來納大學教堂山分校帶的實習生戴維斯(VictoriaDavis)。一開始，瓊斯對BTFE的效果并沒有抱多大希望，但團隊還是決定試試看，沒相當，最終出來的效果驚人得好。

在這一點上，瓊斯向JPL化學家米勒(ThomasMiller)咨詢，以理解這個解決方案的優(yōu)點。通過對電池反應進行計算機模擬，米勒團隊找到了BTFE對氟化物穩(wěn)定性的部分幫助。在此基礎上，研究小組對BTFE溶液進行了調整，加入了一些其他成分，以提高其性能和穩(wěn)定性。由于《科學》網站尚未發(fā)布這篇論文，暫時無從得知其溶液配方。

不過，這項研究只是提出了解決電解質問題的新方案，要開發(fā)可用的氟離子電池，電池正負極材料同樣是難點。雖然氟離子電池在理論上具有遠高于鋰離子電池的重量能量密度和體積能量密度，但是由于電極材料的限制，使得氟離子電池很難達到其理論上的能量密度。例如，雖然很多金屬氟化物著很高的理論比容量，但是由于F-嵌入過程中對其結構的破壞，造成其不可逆容量較大，因此很難發(fā)揮出理論上的高容量。

常見的氟離子電池正極材料鉍(Bi)，當與三氟化鈰(CeF3)組成電池時，充電容量可達400mAh/g(4V)，但是放電容量僅為20mAh/g(2.3V)，同樣的現(xiàn)象還發(fā)生在氟化鈣/鉍(CaF2/Bi)和氟化鎂/鉍(MgF2/Bi)電池上，因此為氟離子電池尋找合適的正極材料是提高氟離子電池能量密度的關鍵。

研究顯示，之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因為在充電過程中，BiF3的形成導致Bi金屬表面變的非常粗糙，導電性下降，從而導致在還原過程中，部分BiF3無法發(fā)生還原反應。

氟離子電池雖然具有眾多的優(yōu)勢，無論是從理論重量比能量還是體積比能量上都要遠遠高于鋰離子電池，但是氟離子電池目前還處在研究的初期階段。瓊斯自己對此倒是信心滿滿，他說:“我們正在開發(fā)一種制造更耐用電池的新方法。氟正在電池中卷土重來。”

當然，作為電池行業(yè)“元老”的鋰，并沒有完全被業(yè)界放棄。在鋰離子電池已經到達極限的情況下，對前文說到的鋰金屬電池的研究，有了復興之勢。

之所以用“復興”這個詞，是因為鋰金屬電池早就出現(xiàn)過，相關概念在100多年前就已提出，上世紀70年代，美國的恵廷漢(M.S.Whittingham)采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個鋰電池。

不過，鋰金屬電池有個嚴重的問題。在鋰電池充電過程中，活性鋰會在負極金屬鋰箔表面發(fā)生不均勻沉積，多次循環(huán)之后就會形成一種樹枝狀異物——枝晶，鋰枝晶在生長過程中會不斷消耗電解液并導致金屬鋰的不可逆沉積，造成放電效率下降;鋰枝晶的形成甚至還會刺穿隔膜導致鋰離子電池內部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸。

不僅鋰金屬電池，在鋰離子電池上，枝晶一樣會出現(xiàn)，其中最著名的例子就是三星著名的GalaxyNote7“爆炸門”。

在鋰離子電池中，通常會在正負極之間放置一層電芯隔膜，防止電池用久、電芯膨大之后正負極接觸短路。在三星“爆炸門”出現(xiàn)后，有人認為，是因為三星為了提高電池能量密度和充放電效率，壓縮了隔膜厚度，導致內部的鋰枝晶非常輕易地刺穿了隔膜，連在一起，導致短路。

相較而言，鋰離子電池形成枝晶的速度較慢，因此成為主流的選擇。而鋰金屬電池在出現(xiàn)幾次事故后，基本被放棄作為充電電池使用，我們通常見到的，都是一次性鋰電池。

不過，在科學家的艱苦攻關下，鋰金屬電池的命運迎來了轉機。今年3月，美國伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)的研究人員開發(fā)了一種以氧化石墨烯為涂層的“納米片”來解決這一問題：將這種納米片置于鋰金屬電池的兩個電極之間能夠防