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能量密度是鋰電池6-7倍,氟離子電池又是什么?

據日經(jīng)新聞4日報道,作為新一代蓄電池,采用氟的“氟化物離子電池”日趨受到關(guān)注。

據悉,這種電池存儲電力的性能提高至目前鋰離子電池的6~7倍,能實(shí)現重量更輕、體積更小的電池,充電一次行駛1000公里,有望成為2030年以后蓄電池的有力競爭者之一,豐田等汽車(chē)廠(chǎng)商也已啟動(dòng)開(kāi)發(fā)。

什么是氟離子電池?


【資料圖】

氟離子電池,是以氟化物作為載流子的可充電電池器件,是一種同鋰離子電池具有相似工作原理的“搖椅電池”。氟離子電池通過(guò)氟化物離子(fluoride ion)在正極和負極之間移動(dòng)實(shí)現充放電。

目前主流的新能源車(chē)型搭載的都是三元鋰以及磷酸鐵鋰電池,三元鋰電池存能量密度大續航里程長(cháng)低溫活性好的優(yōu)點(diǎn),但是存在穩定性差,事故后容易自燃等安全問(wèn)題。

而磷酸鐵鋰電池有著(zhù)低成本高安全性的優(yōu)勢,但是低溫表現一般,能量密度沒(méi)有特別高??v觀(guān)整個(gè)新能源市場(chǎng),還沒(méi)有哪款車(chē)型可以做到續航1000Km的水平。

而據報道,氟離子電池如果研發(fā)成功,其能量密度(代表存儲電力的性能)可達到鋰離子電池的6~7倍,能做出更輕、更小的電池,同時(shí)理論上也能實(shí)現不使用稀有金屬的結構,易于避免資源采購風(fēng)險。

據中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授馬騁團隊此前的研究,

能量密度而言,全固態(tài)氟離子電池理論能量密度極高,最高可接近每升5000瓦時(shí),約是目前商業(yè)化鋰離子電池能量密度的8倍,也超過(guò)了正在研究開(kāi)發(fā)的鋰空氣電池。

安全性能而言,氟是電負性最強的元素,極難轉變?yōu)橄鄳膯钨|(zhì),不易發(fā)生類(lèi)似鋰離子形成鋰枝晶的反應,因此基于不可燃無(wú)機固態(tài)電解質(zhì)的氟離子電池,安全性能無(wú)疑更好。

原料供應而言,氟元素的地殼豐度遠高于鋰元素。相關(guān)統計數據顯示,氟元素的地殼豐度是鋰元素的50倍左右,氟離子電池在原材料供應方面的壓力遠低于鋰離子電池。

豐田等汽車(chē)廠(chǎng)商已啟動(dòng)開(kāi)發(fā)

據媒體此前2020年8月報道,豐田和京都大學(xué)研究人員正在聯(lián)合開(kāi)發(fā)新型氟離子電池。汽車(chē)廠(chǎng)商非常關(guān)注這一領(lǐng)域,本田旗下的本田研究所也于2018年攜手美國國家航空航天局(NASA)等發(fā)布了有關(guān)氟離子電池的研究成果。

不過(guò),實(shí)用化面臨的問(wèn)題很多,例如未找到電極材料和電解質(zhì)的最佳組合,充放電的可重復次數和電動(dòng)勢等性能目前仍落后于鋰離子電池等。

但是據日本立命館大學(xué)教授岡崎健等人的團隊于今年9月發(fā)布了分析氟離子電池的電極和電解質(zhì)材料的組合如何影響電極反應的成果,用于正極的鉍與氟離子直接產(chǎn)生反應,電極的體積發(fā)生改變,而用于負極的鉛溶解于電解液,與氟離子產(chǎn)生反應,存在結晶析出等諸多問(wèn)題,這種差異會(huì )影響充放電的可重復次數等,岡崎表示“已顯示出材料探索的方向”,將在2025年之前,通過(guò)電極材料采用銅和鋁的低成本方式試制資源采購風(fēng)險低的氟離子電池。

國內也有相關(guān)研究

據中國科學(xué)報2021年12月30日消息,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授馬騁團隊設計了一種新型氟離子固態(tài)電解質(zhì)——鈣鈦礦氟離子導體,首次實(shí)現室溫下全固態(tài)氟離子電池的穩定長(cháng)循環(huán),在25℃下持續充放電4581小時(shí)后,容量沒(méi)有發(fā)生顯著(zhù)衰減,相關(guān)研究成果刊發(fā)于Small。

據悉,這一成果創(chuàng )造了全固態(tài)氟離子電池領(lǐng)域循環(huán)時(shí)間最長(cháng)、容量保持率最高的世界紀錄,吸引了人們對全固態(tài)氟離子電池關(guān)注的目光,讓人們看到未來(lái)電池多元化發(fā)展的希望。

據馬騁介紹,它最重要的意義還在于它是一種‘從0到1’的突破,由于缺乏合適的電解質(zhì),氟離子電池在很長(cháng)一段時(shí)間內并不被業(yè)界看好,相關(guān)研究也極其稀少,而新型固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)現則將“不可能”變成了“可能”。

其同時(shí)指出,全固態(tài)氟離子電池由固態(tài)電解質(zhì)、正極材料、負極材料共同組成,而只有三者同時(shí)具備優(yōu)異的性能,這種電池才有可能投入實(shí)際應用。他們此次報道的新材料克服了固態(tài)電解質(zhì)的瓶頸,但目前仍然不存在性能令人滿(mǎn)意的正極材料和負極材料。

應用場(chǎng)景想象空間大

據豐田等涉足的開(kāi)發(fā)所研究顯示:

1)面向純電動(dòng)汽車(chē)方面,氟離子電池屬于被視為新一代的強有力競爭者的蓄電池之一。

2)面向太陽(yáng)能和風(fēng)力等可再生能源的蓄電用途也受到期待。

3)而在鈉離子電池和鎂離子電池等各種競爭者當中,氟離子電池可同時(shí)解決超過(guò)鋰離子電池的大容量化和資源問(wèn)題的潛力構成優(yōu)勢”。

不過(guò),馬騁團隊也坦言,這一技術(shù)雖然具有獨特的優(yōu)勢和良好的應用前景,但未來(lái)發(fā)展仍面臨很多挑戰。

而一旦成功,全固態(tài)氟離子電池將以?xún)?yōu)異的安全性和極高的能量密度對新能源汽車(chē)、儲能等重度依賴(lài)電池技術(shù)的領(lǐng)域造成顛覆性的改變。

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關(guān)鍵詞: 能量密度 鋰離子電池 電解質(zhì)的