中國科學家創世界紀錄！“下一代電池”有戲了

作者｜桂運安

作為目前電池領域的“主力”，全固態鋰離子電池正面臨能量密度有限、伴隨鋰枝晶的安全隱患、鋰元素原料供應緊缺等多重挑戰。誰將是“下一代電池”的有力競爭者？全固態氟離子電池有望成為一股“新勢力”。

近日，中國科學技術大學教授馬騁團隊設計出一種新型氟離子固態電解質——鈣鈦礦氟離子導體，首次實現室溫下全固態氟離子電池的穩定長迴圈，在25℃下持續充放電4581小時後，容量沒有發生顯著衰減。相關研究成果日前發表於Small。

這一成果創造了全固態氟離子電池領域迴圈時間最長、容量保持率最高的世界紀錄，讓人們看到未來電池多元化發展的希望。

將“不可能”變“可能”

“這一成果最重要的意義在於它是一種‘從0到1’的突破。”馬騁介紹，由於缺乏合適的電解質，氟離子電池在很長一段時間內並不被業界看好，相關研究也極其稀少，而新型固態電解質的發現則將“不可能”變成了“可能”。

3年前，《科學》曾報道過一種可以傳輸氟離子的有機液態電解質，被譽為是氟離子電池“里程碑”式的工作。但由其組成的氟離子電池在室溫下僅實現不到10個迴圈的穩定充放電，因此離實際應用還存在較大距離。

馬騁介紹，構築可傳輸氟離子的液態電解質極其困難，即便成功也存在安全隱患。如果能使用不可燃的無機固態電解質構築全固態電池，毫無疑問將更有實用價值。

但是，這一技術路線頗具挑戰——氟離子固態電解質的離子電導率大多偏低，只能在高溫下工作；少數全固態氟離子電池雖然可在室溫下充放電，但電化學視窗極窄，充放電不到10次容量就幾乎衰減為0，沒有實際應用價值。

在氟離子電池液態電解質存在“死結”的情況下，能否避開液態電解質直接探索固態電解質？

“離子越小、電荷越少，就越有可能在材料中快速遷移，從而成為合適的電池載流子。”馬騁說，作為固態電解質的載流子，鋰離子是除了氫陽離子外半徑最小、電荷最少的陽離子，氟離子則是除了氫陰離子外半徑最小、電荷最少的陰離子。

在找不到比鋰離子更好的陽離子的情況下，氟離子作為與鋰離子最接近的陰離子，是一個值得嘗試的方向。

由於可借鑑的案例不多，馬騁團隊幾乎是從“零”起步。他們歷時兩年研發的新型氟離子固態電解質——鈣鈦礦氟離子導體，採用了特別有利於陰離子傳輸的鈣鈦礦結構，在具備高離子電導率的同時，還擁有較寬的電化學視窗，突破了過去“高離子電導率”與“寬電化學視窗”不能兼得的重大技術瓶頸，且對於潮氣的穩定性遠超全固態鋰電池常用的硫化物和氯化物固態電解質。

基於這一固態電解質的氟離子電池，效能遠超《科學》報道的基於液態電解質的氟離子電池。業內人士認為，這一重要突破讓人們看到全固態氟離子電池實用化的可能。