能量密度是鋰電池 6-7 倍，氟離子電池又是什麼？

據日經新聞 4 日報道，作為新一代蓄電池，採用氟的 “氟化物離子電池” 日趨受到關注。

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 年以後蓄電池的有力競爭者之一，豐田等汽車廠商也已啓動開發。

什麼是氟離子電池？

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”。氟離子電池通過氟化物離子（fluoride ion）在正極和負極之間移動實現充放電。

目前主流的新能源車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低温活性好的優點，但是存在穩定性差，事故後容易自燃等安全問題。

而磷酸鐵鋰電池有着低成本高安全性的優勢，但是低温表現一般，能量密度沒有特別高。縱觀整個新能源市場，還沒有哪款車型可以做到續航 1000Km 的水平。

而據報道，氟離子電池如果研發成功，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，同時理論上也能實現不使用稀有金屬的結構，易於避免資源採購風險。

據中國科學技術大學教授馬騁團隊此前的研究，

就能量密度而言，全固態氟離子電池理論能量密度極高，最高可接近每升 5000 瓦時，約是目前商業化鋰離子電池能量密度的 8 倍，也超過了正在研究開發的鋰空氣電池。

就安全性能而言，氟是電負性最強的元素，極難轉變為相應的單質，不易發生類似鋰離子形成鋰枝晶的反應，因此基於不可燃無機固態電解質的氟離子電池，安全性能無疑更好。

就原料供應而言，氟元素的地殼丰度遠高於鋰元素。相關統計數據顯示，氟元素的地殼丰度是鋰元素的 50 倍左右，氟離子電池在原材料供應方面的壓力遠低於鋰離子電池。

豐田等汽車廠商已啓動開發

據媒體此前 2020 年 8 月報道，豐田和京都大學研究人員正在聯合開發新型氟離子電池。汽車廠商非常關注這一領域，本田旗下的本田研究所也於 2018 年攜手美國國家航空航天局（NASA）等發佈了有關氟離子電池的研究成果。

不過，實用化面臨的問題很多，例如未找到電極材料和電解質的最佳組合，充放電的可重複次數和電動勢等性能目前仍落後於鋰離子電池等。

但是據日本立命館大學教授岡崎健等人的團隊於今年 9 月發佈了分析氟離子電池的電極和電解質材料的組合如何影響電極反應的成果，用於正極的鉍與氟離子直接產生反應，電極的體積發生改變，而用於負極的鉛溶解於電解液，與氟離子產生反應，存在結晶析出等諸多問題，這種差異會影響充放電的可重複次數等，岡崎表示 “已顯示出材料探索的方向”，將在 2025 年之前，通過電極材料採用銅和鋁的低成本方式試製資源採購風險低的氟離子電池。

國內也有相關研究

據中國科學報 2021 年 12 月 30 日消息，中國科學技術大學教授馬騁團隊設計了一種新型氟離子固態電解質——鈣鈦礦氟離子導體，首次實現室温下全固態氟離子電池的穩定長循環，在 25℃下持續充放電 4581 小時後，容量沒有發生顯著衰減，相關研究成果刊發於 Small。

據悉，這一成果創造了全固態氟離子電池領域循環時間最長、容量保持率最高的世界紀錄，吸引了人們對全固態氟離子電池關注的目光，讓人們看到未來電池多元化發展的希望。

據馬騁介紹，它最重要的意義還在於它是一種 ‘從 0 到 1’ 的突破，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”。

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

應用場景想象空間大

據豐田等涉足的開發所研究顯示：

1）面向純電動汽車方面，氟離子電池屬於被視為新一代的強有力競爭者的蓄電池之一。

2）面向太陽能和風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，氟離子電池可同時解決超過鋰離子電池的大容量化和資源問題的潛力構成優勢”。

不過，馬騁團隊也坦言，這一技術雖然具有獨特的優勢和良好的應用前景，但未來發展仍面臨很多挑戰。

而一旦成功，全固態氟離子電池將以優異的安全性和極高的能量密度對新能源汽車、儲能等重度依賴電池技術的領域造成顛覆性的改變。