隨著可充電電池越來越多地被用于為現(xiàn)代技術(shù)(尤其是電動汽車)提供動力，研究人員一直在尋找可充電電池中鋰離子的替代材料。現(xiàn)代電池使用鋰和鈷，但它們的供應(yīng)非常有限。
華盛頓圣路易斯大學(xué)麥凱工程學(xué)院的材料科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了氟中鋰的潛在替代品，氟是一種相對豐富且較輕的元素。他們的研究成果發(fā)表在12月7日的《材料化學(xué)雜志》上。
有趣的是，氟離子與鋰離子相反，對電子的吸引力最強(qiáng)，容易進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。研究人員也在測試氟離子電池，以取代汽車中的鋰離子電池。他們說，這些電池可以讓電動汽車一次充電行駛1000公里(621英里)。然而，目前的氟離子電池循環(huán)性差，即隨著充放電循環(huán)，它們往往會迅速降解。
研究人員Steven Hartman和Rohan Misra采用了一種新的氟離子電池設(shè)計方法，可以識別出兩種容易發(fā)生氟離子損失或流失的材料，并對其進(jìn)行微小的結(jié)構(gòu)改變，使其具有良好的可回收性。機(jī)械和材料科學(xué)助理教授米什拉說，這種新型電池材料是層狀電極。
米什拉說，電極是一種相對較新的材料，原則上已有50多年的歷史，但直到近10年到15年，才更好地了解其性能。雖然這些材料像普通金屬一樣傳導(dǎo)電子，但與金屬中的“電子?！辈煌?，在電子中，電子在整個晶體中離域，但在電子中，電子像離子一樣位于晶體結(jié)構(gòu)的特定間隙。
米什拉說：“我們預(yù)測，這些間隙電子可以很容易地被氟離子取代，而不會造成晶體結(jié)構(gòu)的明顯變形，從而實現(xiàn)可回收性。”由于層狀電子相對開放的結(jié)構(gòu)，氟離子很容易移動或擴(kuò)散。
哈特曼是材料科學(xué)與工程學(xué)院的校友。在獲得洛斯阿拉莫斯國家實驗室博士后獎學(xué)金之前，他在米什拉實驗室獲得博士學(xué)位。他用量子力學(xué)計算測試了幾十種潛在的電池候選。
計算機(jī)化的測試將氟化物引入層狀氮化鈣和次碳酸釔之間的間隙。儲能容量接近鋰離子電池。在氮化二鈣的情況下，它由相對豐富的元素組成，這可以幫助克服目前用于鋰離子電池的元素供應(yīng)短缺。
哈特曼將電池研究與米什拉團(tuán)隊的其他研究進(jìn)行了比較，米什拉團(tuán)隊利用機(jī)器學(xué)習(xí)的“大數(shù)據(jù)”技術(shù)篩選了數(shù)千名候選人。
哈特曼說：“與我們進(jìn)行的其他研究相比，這需要更多的直覺和反復(fù)試驗?！薄霸瓌t上，你可以在常規(guī)電極中加入大量氟離子來儲存大量電荷，但實際上，這些理論容量很難管理。當(dāng)我們在傳統(tǒng)電極中加入氟離子時，它們會急劇膨脹和收縮。充電和放電可能導(dǎo)致破裂和失去電接觸。”
最小化這種體積和形狀的變化對于制造耐用的氟化物電池非常重要。
哈特曼說：“我們預(yù)測，在這些層狀電子材料中添加和去除氟離子將導(dǎo)致明顯更小的結(jié)構(gòu)變化，這將有助于實現(xiàn)更長的循環(huán)壽命?！?
米什拉的實驗室正在尋求與研究人員合作，他們可以合成這項研究中確定的有希望的候選電池，并在原型電池中進(jìn)行測試。
麥凱工程學(xué)院由一群從事電池研究的跨學(xué)科教授組成。能源、環(huán)境和化學(xué)工程助理教授白鵬最近的研究使得近似電池的電流密度閾值和精確預(yù)測任何特定電流密度的短路時間成為可能。
能源、環(huán)境和化學(xué)工程教授Jason He最近進(jìn)行了一項可行性研究，將鋰離子電池電化學(xué)“再填充”到廢棄電極中，以再生有用的化合物(如鈷酸鋰)。
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