氟離子電池作為下一代電池的潛在競爭者，其發(fā)展正受到越來越多的關(guān)注。日本豐田和本田、德國亥姆霍茲-烏爾姆研究所、美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和中國一些大學(xué)等機(jī)構(gòu)已經(jīng)啟動了相關(guān)研究。

氟離子電池的研發(fā)還處于極早期階段，進(jìn)入應(yīng)用還需要克服許多問題。然而，氟離子電池具有巨大的潛力，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，可能取代鋰電池行業(yè)的鋰離子電池。

 

氟離子電池的四大優(yōu)勢

在下一代電池的眾多方向中，氟離子電池由于近年來的一系列研究突破而備受關(guān)注。它的工作原理與目前廣泛使用的鋰離子電池類似，即氟離子通過在正負(fù)電極之間穿梭來儲存能量。專家認(rèn)為，氟離子電池在能量密度、安全性、原材料供應(yīng)和成本四個方面比鋰離子電池具有顯著優(yōu)勢。

追求更高的能量密度是可充電電池研發(fā)的一個重要目標(biāo)，因?yàn)檫@意味著更大的儲能容量。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，是鋰離子電池理論極限的8倍。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授介紹，氟離子電池使用氟化銅、氟化鈣等化合物作為電極材料，其比質(zhì)量的電極活性材料可以提供比鋰離子電池數(shù)倍的電量，因此能量密度遠(yuǎn)超鋰離子電池。

 

 

在安全性方面，鋰枝晶生長是影響鋰離子電池安全性的主要原因之一，而氟離子極難被氧化成氟單體，可以避免類似鋰枝晶增長的問題。在原材料方面，氟的地殼豐度遠(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，開采鋰需要大量的水，而開采氟對環(huán)境的影響要低得多。

在成本方面，有信息顯示，鋰電池中常用的原料鈷價格昂貴，而氟離子電池除銀外，其他正極材料成本較低，理論上每瓦時氟離子電池成本僅為鋰離子電池的20%至25%。

 

氟離子電池發(fā)展的三條途徑

早在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們就開始對氟離子電池進(jìn)行研究，但并沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。2011年，德國科學(xué)家率先開發(fā)出以氟化鋇鑭為電解質(zhì)的全固態(tài)氟離子電池，氟離子電池的研發(fā)才得到更多的關(guān)注。

目前，氟離子電池開發(fā)的主要技術(shù)路線包括室溫液體氟離子電池、高溫全固體氟離子電池和室溫全固體氟電池。其中，室溫液體氟離子電池使用易燃、含氟的有機(jī)溶液作為電解質(zhì)，存在安全和環(huán)境隱患；而高溫全固體氟離子電池需要在高溫下運(yùn)行，可能僅應(yīng)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)路線中最有價值的路線。理論上，室溫全固態(tài)氟離子電池可以用于當(dāng)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、美國國家航空航天局噴氣推進(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)》雜志上發(fā)表論文，該團(tuán)隊(duì)首次準(zhǔn)備了一種含有液體電解質(zhì)的氟離子電池，該電池可以在室溫下可逆充電和放電。室溫下的離子電池。

2020年，京都大學(xué)和豐田宣布全固態(tài)氟離子電池原型成功，日本媒體當(dāng)時報道稱，在相同尺寸或重量的情況下，氟離子電池可以提供比鋰離子電池更長的續(xù)航里程，電動汽車單次充電續(xù)航里程1000公里指日可待。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬成教授團(tuán)隊(duì)從事室溫全固態(tài)氟離子電池的研究。2021年11月，該小組在德國《Smole》雜志上發(fā)表論文，宣布設(shè)計和合成一種新型氟離子固態(tài)電解質(zhì)，該電解質(zhì)首次在國際舞臺上實(shí)現(xiàn)全固態(tài)氟離子電池在室溫下的穩(wěn)定長循環(huán)。在25攝氏度下連續(xù)充電和放電4581小時后，沒有發(fā)生顯著的電池容量下降。此前，文獻(xiàn)中報道的室溫全固態(tài)氟離子電池的充放電循環(huán)次數(shù)不超過20次，這通常被認(rèn)為是一條無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線。

 

氟離子電池發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

要想讓電動汽車一次充電續(xù)航1000公里以上，鋰離子電池也是可能的，但如果你想讓大型卡車、船舶、飛機(jī)和其他大功率車輛通過電池達(dá)到令人滿意的續(xù)航里程，你需要找到比鋰離子電池能量密度高得多的儲能技術(shù)，氟離子電池是這類技術(shù)的發(fā)展方向。

 

 

氟離子電池的發(fā)展還處于非常早期的階段。研究人員仍在尋找合適的材料體系，具有實(shí)用和商業(yè)價值的體系尚未出現(xiàn)。氟離子電池在基礎(chǔ)研究階段仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括研究人員尚未發(fā)現(xiàn)具有足夠優(yōu)異循環(huán)性能的陰極和陽極材料，以及兼具商業(yè)價值和優(yōu)異性能的電解質(zhì)。

為了使氟離子電池技術(shù)盡快顯示出應(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)材料等一系列與基礎(chǔ)研究相關(guān)的問題。