新聞分析：氟離子電池距離應用有多遠

新華社東京12月25日電 新聞分析：氟離子電池距離應用有多遠

新華社記者錢錚

作為“下一代電池”的潛在競爭者，氟離子電池研發(fā)日益受到關注。日本豐田和本田公司、德國亥姆霍茲-烏爾姆研究所、美國航天局噴氣推進實驗室等機構(gòu)和中國一些高校已啟動相關研究。

專家認為，氟離子電池研發(fā)目前仍處于“極其初級的階段”，進入應用還需要攻克許多難題。但氟離子電池潛力大，未來有可能取代鋰離子電池成為主流蓄電池，尤其是室溫全固態(tài)氟離子電池，一旦技術成熟很可能全面取代鋰離子電池。

四大優(yōu)勢

在“下一代電池”的諸多方向中，氟離子電池因近年來取得一系列研究突破而備受關注。其工作原理類似于目前廣泛應用的鋰離子電池，即利用氟離子在正負極之間穿梭進行儲能。專家認為，相比于鋰離子電池，氟離子電池在能量密度、安全性、原料供應和成本四個方面有顯著優(yōu)勢。

追求更高能量密度是可充放電電池研發(fā)的重要目標，因為這意味著更強的蓄電能力。文獻資料顯示，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。

中國科學技術大學材料科學與工程系教授馬騁日前接受新華社記者采訪時介紹，氟離子電池使用氟化銅、氟化鈣等化合物作為電極材料，其特定質(zhì)量的電極活性物質(zhì)可提供電荷數(shù)量是鋰離子電池的若干倍，因此能量密度遠超過鋰離子電池。

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質(zhì)，可以避免類似于鋰枝晶生長的問題。

在原料方面，氟元素地殼豐度遠高于鋰元素，目前全球氟的年產(chǎn)量要比鋰高出約兩個數(shù)量級。此外，開采鋰礦需要大量水，相比之下開采氟礦對環(huán)境影響要小得多。

在成本方面，日本大金工業(yè)公司精細化學部公布資料顯示，鋰電池中常用的原材料鈷價格昂貴，而氟離子電池中除了銀，其他正負極材料成本較低，理論上氟離子電池每瓦時成本只有鋰離子電池的20%至25%。

三條路線

早在20世紀70年代，已有科學家開始研究氟離子電池，但一直未有實質(zhì)性進展。2011年，德國科學家率先開發(fā)出利用氟化鋇鑭作為電解質(zhì)的全固態(tài)氟離子電池，氟離子電池研發(fā)才獲得更多關注的目光。

目前，氟離子電池研發(fā)的主要技術路線大致包括室溫液態(tài)氟離子電池、高溫全固態(tài)氟離子電池和室溫全固態(tài)氟離子電池三種。其中，室溫液態(tài)氟離子電池使用易燃且含氟的有機溶液作為電解液，有安全和環(huán)境隱患；而高溫全固態(tài)氟離子電池需要在高溫下運行，僅可能在儲能或其他特定場景應用。

室溫全固態(tài)氟離子電池被認為是三種技術路線中最有價值的路線。理論上，室溫全固態(tài)氟離子電池可用于目前鋰離子電池的所有應用場景，一旦技術成熟很可能全面取代鋰離子電池。

日本非常重視氟離子電池研發(fā)，近年來取得一系列重要進展。2018年12月，日本本田研究所、美國航天局噴氣推進實驗室、加州理工學院等機構(gòu)合作在美國《科學》雜志發(fā)表論文說，該團隊首次制備出采用液體電解質(zhì)、可在室溫下可逆充放電的氟離子電池。

2020年，日本京都大學和豐田公司宣布試制成功一種原型全固態(tài)氟離子電池。日本媒體當時報道說，在同樣尺寸或重量下，氟離子電池可提供比鋰離子電池更長的續(xù)航時間，電動汽車一次充電續(xù)航1000公里將是“伸手可以觸及的未來”。

馬騁教授課題組從事室溫全固態(tài)氟離子電池研究。2021年11月，課題組在德國《斯莫爾》雜志上發(fā)表論文宣布設計并合成一種新型氟離子固態(tài)電解質(zhì)，在國際上首次實現(xiàn)室溫下全固態(tài)氟離子電池的穩(wěn)定長循環(huán)，在25攝氏度下持續(xù)充放電4581小時后，電池容量未發(fā)生顯著衰減。在此之前，文獻中報道的室溫全固態(tài)氟離子電池充放電循環(huán)次數(shù)不超過20次，被普遍認為是一種難以實現(xiàn)的技術路線。

前景和挑戰(zhàn)

馬騁表示，要使電動汽車一次充電續(xù)航1000公里以上，鋰離子電池也有可能實現(xiàn)，但如果想要通過電池讓大型貨車、船舶、飛機等更大功率的交通工具達到令人滿意的續(xù)航里程，就需要尋找能量密度遠高于鋰離子電池的儲能技術，而氟離子電池就是這類技術中一個很有前景的方向。

“氟離子電池研發(fā)目前還處于極其初級的階段。研究者仍在摸索適合的材料體系，具有實用價值和商業(yè)價值的體系尚未出現(xiàn)。”馬騁強調(diào)，氟離子電池的基礎研究階段仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括研究者尚未找到具備足夠優(yōu)異循環(huán)性能的正負極材料，以及兼具商業(yè)化價值和優(yōu)異性能的電解質(zhì)等。

馬騁認為，要想使氟離子電池技術盡快體現(xiàn)出應用價值，目前仍需增加基礎研究投入，解決電極材料、電解質(zhì)材料等一系列與基礎研究有關的難題。