氟离子电池优缺点(氟离子电池工作原理)

新华社东京12月25日电新闻分析：氟离子电池距离普及还有多远？

新华社记者钱铮

作为“下一代电池”的潜在竞争对手，氟离子电池的研发日益受到关注。日本丰田、本田、德国亥姆霍兹-乌尔姆研究所、美国宇航局喷气推进实验室以及中国一些大学等机构均已开展相关研究。

专家认为，氟离子电池的研发仍处于“极初级阶段”，在进入应用前仍需克服许多问题。但氟离子电池潜力巨大，未来可能取代锂离子电池成为主流电池，尤其是室温全固态氟离子电池。一旦技术成熟，它们很可能完全取代锂离子电池。

四大优势

在“下一代电池”的众多方向中，氟离子电池由于近年来取得的一系列研究突破而备受关注。其工作原理与目前广泛使用的锂离子电池类似，利用氟离子在正负极之间穿梭来储存能量。专家认为，与锂离子电池相比，氟离子电池在能量密度、安全性、原材料供应和成本等方面具有显着优势。

追求更高的能量密度是充电电池研发的重要目标，因为这意味着更强的蓄电能力。文献数据显示，全固态氟离子电池的理论能量密度可接近5000瓦时/升，是锂离子电池理论极限的8倍。

中国科学技术大学材料科学与工程系教授马成日前接受新华社采访时表示，氟离子电池采用氟化铜、氟化钙等化合物作为电极材料。特定质量的电极活性物质所能提供的电荷量是锂离子电池的数倍，因此能量密度远远超过锂离子电池。

在安全性方面，锂枝晶生长是影响锂离子电池安全的主要原因之一，而氟离子极难被氧化成氟元素，可以避免类似锂枝晶生长的问题。

从原料来看，地壳中氟的丰度远高于锂。目前全球氟的年产量比锂高出约两个数量级。此外，开采锂矿需要大量的水，而开采氟矿对环境的影响要小得多。

成本方面，日本大金工业公司精细化学部公布的数据显示，锂电池常用的原材料钴价格昂贵，而氟离子电池中，除银外，其他正负极材料成本较低。理论上，氟离子电池每瓦的成本仅为锂离子电池的20%至25%。

三个路线

早在20世纪70年代，科学家就开始研究氟离子电池，但一直没有实质性进展。2011年，德国科学家率先开发出采用氟化钡镧作为电解质的全固态氟离子电池。直到那时，氟离子电池的研发才得到更多关注。

目前，氟离子电池研发的主要技术路线一般包括常温液态氟离子电池、高温全固态氟离子电池、常温全固态氟离子电池三种类型。固态氟离子电池。其中，常温液态氟离子电池采用易燃、含氟有机溶液作为电解质，存在安全和环境风险；而高温全固态氟离子电池需要在高温下工作，只能用于储能或其他特定场景。

室温全固态氟离子电池被认为是三种技术路线中最有价值的。理论上，常温全固态氟离子电池可以用于目前锂离子电池的所有应用场景，一旦技术成熟，很可能完全取代锂离子电池。

日本高度重视氟离子电池的研发，近年来取得了一系列重要进展。2018年12月，日本本田研究所、NASA喷气推进实验室、加州理工学院等机构联合在美国杂志《科学》上发表论文，称团队首次制备出可可逆充电的液态电解质并在室温下放电。氟离子电池。

2020年，京都大学和丰田宣布成功试制原型全固态氟离子电池。日本媒体当时报道称，在相同尺寸或重量下，氟离子电池可以提供比锂离子电池更长的电池寿命，一次充电续航里程达1000公里的电动汽车将是“触手可及的未来”。”

马成教授课题组从事室温全固态氟离子电池研究。2021年11月，研究团队在德国《斯莫尔》杂志上发表论文，宣布设计合成新型氟离子固体电解质，全球首次实现全固体稳定长期循环常温状态氟离子电池，可持续25摄氏度。经过4581小时的充放电，电池容量并没有明显下降。此前，文献报道的室温全固态氟离子电池充放电循环次数不超过20次，被普遍认为是一条无法实现的技术路线。

前景与挑战

马成表示，要让电动汽车一次充电续航超过1000公里，锂离子电池也是可以的，但如果想用电池让大型卡车、轮船、飞机等达到满意的续航里程，动力更强的车辆，需要寻找能量密度远高于锂离子电池的储能技术，而氟离子电池是此类技术的一个有前途的方向。

“氟离子电池的研发仍处于极其初级的阶段，研究人员仍在探索合适的材料体系，具有实用和商业价值的系统尚未出现。”马成强调，氟离子电池基础研究阶段仍面临诸多挑战。包括研究人员尚未找到具有足够优异循环性能的正负极材料，以及兼具商业价值和优异性能的电解质。

马成认为，氟离子电池技术要尽快体现其应用价值，仍需加大基础研究投入，解决电极材料、电解质材料等一系列基础研究相关问题。