能量密度比鋰離子電池高 10 倍,室溫下可充電氟化物電池原型首現

作者 | 發布日期 2018 年 12 月 07 日 15:31 | 分類 尖端科技 , 材料 , 零組件 follow us in feedly

氟化物電池的理論能量密度比鋰離子電池高 10 倍,想像你的手機和電腦充一次電就可以撐過數天的前景。可惜目前氟化物電池只能在高溫環境中發揮導電性能,無法落實到日常,直到最近來自數個研究機構的科學家合作,終於開發出首款可在室溫下工作的可充電氟化物電池,準備讓氟化物捲土重來。



氟化物電池(fluoride-based battery,FIB)是鋰離子電池的一大潛在勁敵,氟和鋰那猶如陰陽兩面的關係也很耐人尋味:鋰是元素週期表中電正性(electropositivity)極高的元素,代表它喜歡丟掉電子;氟則是元素週期表中電負性(electronegativity)最強的元素,代表它最喜歡捕捉電子。

而新研究共同作者、加州理工學院化學教授 Robert Grubbs(2005 年諾貝爾化學獎得主)指出,氟化物電池的理論能量密度比鋰離子電池還要高 10 倍,充飽電後使用時間可延長 8 倍,可惜它的重大缺點在於氟化物具腐蝕性、極度活潑,一不小心就會反應太激烈。

此外,1970 年代左右,研究人員也試圖開發可充電的氟化物固態電池,但最終電解質氟化物只能在高於 150℃ 的環境中導電,無法落實到日常電器應用;而氟離子又只擅長溶解在固體電解質中,故這些年來,採用液態電解質的氟化物電池遲遲沒有重大進展。

已知化學電池結構分成正極、負極與電解質,其電流靠帶電原子或離子在電池正、負極間來回穿梭產生,室溫狀態下,離子於液態電解質中移動起來更游刃有餘,所以絕大多數商業化電池都以液態電解質為主。

現在,來自普渡大學化學工程助理教授 Brett Savoie(去年在加州理工學院)、NASA 噴射推進實驗室(JPL)、本田研究所(honda research institute)、勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)等機構的研究人員,終於找到一種可讓氟化物在室溫下溶解的液態電解質,開發出首款室溫可充電氟化物電池。

該液體電解質的關鍵為 BTFE 分子(bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether),這使得溶劑有助於氟離子在電池內部穩定來回穿梭。

▲ 氟離子(粉紅色)被 BTFE 分子包圍。(Source:Brett Savoie/普渡大學

下一步,研究人員希望延長氟化物電池陰極與陽極的壽命,目前正在鑽研如何讓銅陰極與這種電解質更和平相處。

氟離子電池比鋰離子電池安全,沒有過熱風險,如果未來可於室溫下操作的可充電氟化物電池走出實驗室,那麼我們離手機充一次電使用數天的現實也將更進一步。新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:加州理工學院取自 Brett Savoie/普渡大學)