基于氟離子的新電池概念可以增加電池壽命

想象一下，無(wú)需為手機(jī)或筆記本電腦充電數(shù)周。這是研究人員尋找超越目前流行的鋰離子電池版本的替代電池的夢(mèng)想?，F(xiàn)在，在科學(xué)雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，包括加州理工學(xué)院和加州理工學(xué)院為美國(guó)宇航局管理的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，以及本田研究所和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等多家機(jī)構(gòu)的化學(xué)家們基于元素氟的氟化物，帶負(fù)電荷的形式或陰離子制造可充電電池的新方法。

“氟化物電池可以具有更高的能量密度，這意味著它們的使用壽命可能比目前使用的電池長(zhǎng)8倍，”研究報(bào)告的共同作者，加州理工學(xué)院的Victor和伊麗莎白阿特金斯化學(xué)教授Robert Grubbs說(shuō)道。 2005年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。“但氟化物可能難以使用，特別是因?yàn)樗哂懈g性和反應(yīng)性。”

在20世紀(jì)70年代，研究人員試圖使用固體組件制造可充電氟化物電池，但固態(tài)電池僅在高溫下工作，這使得它們?cè)谌粘Ｊ褂弥胁粚?shí)用。在這項(xiàng)新研究中，作者最后報(bào)告了如何使用液體成分使氟化物電池工作 - 液體電池在室溫下很容易工作。

“我們?nèi)蕴幱陂_發(fā)的早期階段，但這是第一款可在室溫下工作的可充電氟化物電池，”JPL化學(xué)家，新研究的通訊作者Simon Jones說(shuō)。

電池通過(guò)在正極和負(fù)極之間穿梭帶電原子或離子來(lái)驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)涉及液體時(shí)，這種穿梭過(guò)程在室溫下更容易進(jìn)行。在鋰離子電池的情況下，借助于液體溶液或電解質(zhì)，鋰在電極之間穿梭。

加州電池化學(xué)教授托馬斯米勒說(shuō)：“給電池充電就像把球推上山，然后讓它一遍又一遍地回滾。” “你在存儲(chǔ)能量和使用它之間來(lái)回走動(dòng)。”

雖然鋰離子是正離子(稱為陽(yáng)離子)，但新研究中使用的氟離子帶負(fù)電荷(稱為陰離子)。使用電池中的陰離子既有挑戰(zhàn)也有優(yōu)勢(shì)。

“對(duì)于持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的電池，你需要移動(dòng)更多的電荷。移動(dòng)多電荷金屬陽(yáng)離子是困難的，但通過(guò)移動(dòng)幾個(gè)帶電荷的陰離子可以實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果，這些陰離子相對(duì)容易，”瓊斯說(shuō)。誰(shuí)在JPL研究航天器所需的電源。“這個(gè)方案面臨的挑戰(zhàn)是使系統(tǒng)在可用電壓下工作。在這項(xiàng)新研究中，我們證明了陰離子確實(shí)值得電池科學(xué)關(guān)注，因?yàn)槲覀冏C明了氟化物可以在足夠高的電壓下工作。”

使氟化物電池工作在液體而不是固態(tài)的關(guān)鍵證明是稱為雙(2,2,2-三氟乙基)醚或BTFE的電解液。這種溶劑有助于保持氟離子穩(wěn)定，從而可以在電池中來(lái)回穿梭電子。瓊斯說(shuō)他當(dāng)時(shí)的實(shí)習(xí)生，維多利亞戴維斯，現(xiàn)在在北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校學(xué)習(xí)，是第一個(gè)考慮嘗試BTFE的人。雖然瓊斯并沒有太大的希望它會(huì)成功，但團(tuán)隊(duì)仍然決定嘗試它，并感到驚訝它運(yùn)作良好。

那時(shí)，瓊斯向米勒尋求幫助，理解解決方案的原因。米勒和他的小組對(duì)反應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，并找出了BTFE的哪些方面正在穩(wěn)定氟化物。從那時(shí)起，該團(tuán)隊(duì)就能夠調(diào)整BTFE解決方案，使用添加劑對(duì)其進(jìn)行修改，以提高其性能和穩(wěn)定性。

“我們正在開辟一種制造更持久電池的新方法，”瓊斯說(shuō)。“氟化物正在卷土重來(lái)。”