氟化物电池的使用寿命比目前使用的电池长 8 倍

对提供满足现代设备要求所必需的高能量密度的电池的探索不断增加。能量密度取决于反应中传输的电子数、阳极和阴极之间的电位差、电池体积和法拉第常数。

考虑到所有这些因素，加州理工学院的研究人员开发了一种基于氟化物（一种带负电荷的氟离子）制造可充电电池的新方法。

该技术有可能消除每天为笔记本电脑或手机充电的需要。事实上，它可以将这个要求减少到每月只有两次。由于氟化物电池的能量密度相对高于锂离子电池，它的使用寿命可达 8 倍。然而，它们具有极强的反应性、腐蚀性和挑战性。

这不是第一次有人尝试氟化物电池。在 1970 年代，科学家们尝试开发使用固体模块的可充电氟化物电池。但由于固态电池需要高温才能正常工作，因此不能用于日常用途。

现在，研究人员已经找到了一种使用液体模块使这些电池在室温下工作的方法。他们能够制造出第一个可在室温下正常工作的可充电氟化物电池。

电池通过在阴极（正）和阳极（负）电极之间漂移离子来提供电流。在液体溶液中（用于锂电池），离子在室温下更容易漂移。

参考：ScienceMag | doi:10.1126/science.aat7070 |加州理工

虽然锂电池使用正离子（阳离子），但本研究开发的氟化物电池带有负电荷（阴离子）。在电池中使用负离子有几个优点，但它们也有自己的挑战。

在液体电解质溶液的帮助下，电荷原子在阳极和阴极之间移动|图片来源：布雷特萨瓦/普渡大学

为了使电池寿命更长，需要移动大量离子。移动带正电荷的离子（阳离子）非常困难，但移动相对容易移动的负离子（阴离子）可以获得类似的结果。这种机制的主要挑战是使系统在足够的电压下工作。

在这项研究中，研究人员表明多价氟化物转化反应具有高热力学反应电位（大于 3 伏）和体积容量（大于 1000 Ah/升）。因此，氟化物电池提供高达5000 Wh/L的理论能量密度，至少是现有锂离子技术理论值的8倍。

使氟化物电池在液体（而不是固体）中正常运行的关键组件是一种名为双（2,2,2-三氟乙基）醚（简称 BTFE）的电解液。它使氟离子保持稳定，从而可以轻松地在电池中来回移动电子。

被BTFE分子包围的氟离子（粉红色）|图片来源：布雷特萨瓦 / 普渡大学

但是为什么这个解决方案有效； BTFE 的什么特性可以稳定氟化物？为了找到答案，研究人员借助了计算机模拟。他们改变了 BTFE 溶液，发现可以通过添加添加剂来提高其稳定性和性能。

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结果表明，研究人员已经解锁了一种开发更持久电池的有趣技术。说氟化物电池卷土重来并没有错。

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