隨著電化學儲能技術的快速發展，鋰離子電池的能量密度逐漸接近其理論“天花板”，再加上地球上的鋰資源有限，科學家們一直在嘗試開發新的、更好的電池技術，鈉離子電池、鎂離子電池等都是能源領域的研究熱點。相比之下，同屬“下一代”電化學儲能技術的氟離子電池（fluoride ion battery）顯得稍微不那么引人矚目。氟離子電池概念其實在上世紀70年代就已經提出，由于氟的原子量低，可充電氟離子電池具有很高的能量密度。但是由于目前的氟離子電池只能使用高溫下（150 °C）傳導氟離子的熔鹽電解質，這種技術的商用和推廣受到很大限制。如何實現氟離子在室溫下的高效傳導，成為氟離子電池研制的首要難題。


近日，美國加州理工學院Simon C. Jones等研究者共同開發出一款在室溫下可正常工作的可充電氟離子電池。研究者利用氟代醚作溶劑，四烷基氟化銨作為電解質，得到了在室溫下具有高離子導電性（＞3 mS/cm）、寬工作電壓和良好的化學穩定性的液體電解質，為室溫下氟離子電池的研究開辟了一條新的道路。

這一研究可概括為以下兩步：

電解液的探索

金屬氟化物電解質鹽類普遍不溶于有機溶劑，有機氟化物電解質鹽類盡管可以提高溶解性，然而這些鹽很難真正以無水形式被合成，容易發生分解（F-變為HF2-），即便商用無水四甲基氟化銨（TMAF）在有機物中的溶解度依舊有限。研究者通過分子設計和實驗，選擇了新戊基取代的氟化銨（Np1F、Np2F，下圖A），發現新的氟化銨鹽不但在有機溶劑中的溶解度增加，同時β-H的減少也可以抑制干燥中有機氟化物的分解。將新戊基取代的氟化銨溶解在不同溶劑中，室溫下在氟代醚中的離子電導率表現優異，可以與鋰離子電池電解液的電導率相當。


電極的設計

隨后，電解液被應用于三電極電化學測試中，以鉍、鉛、銅等金屬為電極可以實現良好的循環；然而以鈰、鈣等金屬為電極時，電極一定程度會溶解，導致無法完成循環。研究者通過全氟辛基三乙氧基硅烷（FOTS）添加劑對金屬電極進行預處理，在電極表面包裹一層氟化物，作為人造的“固體電解質界面（SEI）層”，以提高循環性能。此外，為了應對正極金屬溶解的挑戰，作者還設計了惰性SEI層包覆的Cu@LaF3核殼納米結構作為正極材料。這種設計有四點優勢：（i）保護電極、防止溶解，（ii）防止電解液分解，（iii）限制電極體積膨脹、保持活性核的結構完整性，（iv）選擇性滲透進入核區域的電解質離子。


由此制備的氟離子電池具有良好的循環性能，在室溫下可正常工作。盡管文中的電池性能與商品化的鋰離子電池相比還有較大差距，但是無疑已經是開創性的成果。“我們仍然處于開發的早期階段，但這是第一個在室溫下工作的可充電氟化物電池，”通訊作者Simon Jones如是說。“與鋰離子電池不同，氟離子電池不會因為過熱而帶來安全風險，原材料加工所產生的環境影響也要比鋰和鈷的提取過程小得多。”該文另一位作者、2005諾貝爾化學獎得主Robert Grubbs補充說。