随着可充电电池为现代技术，特别是电动汽车提供动力的使用越来越多，研究人员一直在寻找可充电电池中的锂离子替代材料。
现代电池使用锂和钴，但它们的供应非常有限。
位于圣路易斯的华盛顿大学麦凯维工程学院的材料科学家们发现了一种可能替代氟中的锂元素，这种元素含量相对较低。他们的研究发表在12月7日的《材料化学杂志》上。
有趣的是，氟离子是锂离子的镜像，对电子具有最强的吸引力，这使得它很容易进行电化学反应。日本的研究人员也在测试氟离子电池是否可以替代汽车中的锂离子电池。他们说，这些电池可以让电动汽车一次充电行驶1000公里(621英里)。然而，目前的氟离子电池的循环性很差——也就是说，它们往往在充放电循环时降解得很快。
研究人员Steven Hartman和Rohan Mishra采用了一种氟离子电池设计的新方法，确定了两种材料，它们可以通过微小的结构变化来实现良好的循环性，从而很容易获得或失去氟离子。米什拉，机械工程助理教授;材料科学专家说，这种新型电池材料都是分层带电的。
米什拉说，电磁铁是一种相对较新的材料，人们对其原理已经了解了大约50年，但直到过去10到15年，人们才对其性能有了更好的了解。当这些材料像普通金属一样传导电子时，不同于金属中的“电子海洋”，在金属中电子在整个晶体中离域，在带电时，电子驻留在晶体结构中特定的间隙位置，类似于离子。
Mishra说:“我们预测这些间隙电子可以很容易地被氟离子取代，而不会对晶体结构造成明显的变形，从而使其具有可循环性。”氟离子也可以相当容易地移动或扩散，由于层状带电的相对开放的结构。
哈特曼材料科学研究所;在洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)接受博士后奖学金之前，他在米什拉的实验室获得了博士学位。
计算机化测试将氟化物引入层状带电氮化二钙和次碳化钇的间隙。储能能力接近锂离子电池的性能。对于氮化二钙来说，它是由相对丰富的元素组成的，可以帮助解决目前锂离子电池中元素的供应短缺问题。
哈特曼将电池研究与米什拉团队的其他一些工作进行了对比，后者使用机器学习“大数据”技术筛选数千个候选对象。
哈特曼说:“与我们做过的其他研究相比，这需要更多的直觉和反复试验。”“原则上，你可以在传统电极中加入大量的氟离子来储存大量电荷，但在实践中，这些理论上的能力很难控制。当我们在传统电极中加入氟化物时，它们在充电和放电时急剧膨胀和收缩，这可能导致破裂和失去电接触。”
将体积和形状变化最小化是制造耐用氟化物电池的必要条件。
哈特曼说:“在这些带电的层状材料中，我们预测添加和去除氟离子将导致显著较小的结构变化，从而帮助实现更长的循环寿命。”
米什拉的实验室希望与研究人员合作，合成这项研究中发现的有前景的电气化物质，并在原型电池中进行测试。
麦凯维工程学院有一群跨学科的教员，负责电池的研究。能源、环境与环境副教授彭白的最新研究化学工程技术的应用使得该技术能够近似电池的电流密度阈值，并能准确预测任何特定电流密度下的短路时间。
何杰森，能源、环境与安全教授;该公司最近进行了一项可行性研究，将锂离子电池中的”重新注入用过的电极中，以再生有用的化合物，如氧化钴锂。
另外，罗马队的维贾伊·拉马尼。Raymond H. Wittcoff杰出大学教授，最近获得了来自能源6037高级研究项目局-能源的200万美元，用于继续研究他首创的长时间、电网规模的能源存储电池概念。
圣路易斯华盛顿大学的麦凯维工程学院提倡独立探究和教育，强调科学卓越、创新和无边界的合作。麦凯维工程在各院系的研究和研究生项目中都名列前茅，尤其是在生物医学工程、环境工程和计算机方面，而且拥有全国最优秀的本科生项目之一。我们拥有140名全职教师、1387名本科生、1448名研究生和21000名在世校友，我们正在努力解决一些社会最大的挑战;培养学生在整个职业生涯中成为领导者和创新的能力;并成为圣路易斯地区及其他地区经济发展的催化剂。
本研究经费由国家科学基金会(DMREF-1729787和DMR-1806147)提供。这项研究使用了由美国国家科学基金会(ACI-1548562)支持的极限科学和工程发现环境(XSEDE)的计算资源。
Hartman S, Mishra R.层电作为氟化物插层阳极。材料化学杂志a, 2020年12月7日出版。1 – 8页。DOI: 10.1039 / d0ta06162j。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://source.wustl.edu/2020/12/study-finds-fluorine-as-possible-substitute-for-lithium-in-rechargeable-batteries/