研究发现电池中锂离子的替代材料

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的材料科学家发现了氟中锂的潜在替代品，氟是一种相对丰富而轻的元素。他们的研究成果于12月7日发表在《材料化学杂志》上。

有趣的是，氟离子是锂离子的反面，对电子具有zui强的吸引力，这使其易于进行电化学反应。日本的研究人员也正在测试氟离子电池，以替代汽车中的锂离子电池。他们说，这些电池可使电动汽车一次充电即可行驶1,000公里(621英里)。但是，当前的氟离子电池具有较差的可循环性-也就是说，随着充放电循环，它们往往会迅速降解。

随着越来越多地使用可充电电池为现代技术(尤其是电动汽车)供电，研究人员一直在寻找可充电电池中锂离子的替代材料。现代电池使用锂和钴，但是它们的供应非常有限。

研究人员史蒂芬·哈特曼和罗汉·米斯拉采用了一种新的氟离子电池设计方法，该方法可以识别出两种容易发生氟离子丢失或丢失的材料，同时对它们进行小的结构变化以使其具有良好的可循环性。机械工程与材料科学助理教授Mishra表示，新型电池材料都是分层的电极。

米什拉说，电极是一类相对较新的材料，原则上已经有50多年的历史了，但是直到近10到15年才对它们的性能有了更好的了解。尽管这些材料像普通金属一样传导电子，但与金属中的“电子海”不同，在电子中电子在整个晶体中离域，但在电子中，电子像离子一样位于晶体结构内的特定间隙位置。

Mishra说：“我们预测这些间隙电子可以很容易地被氟离子所取代，而不会导致晶体结构发生明显变形，从而实现了可循环性。” 由于层状电子的相对开放结构，氟离子也可以很容易地移动或扩散。

哈特曼(Hartman)是材料科学与工程学院的校友，在洛斯阿拉莫斯国家实验室接受博士后奖学金之前，他在米什拉(Mishra)的实验室获得博士学位，他使用量子力学计算来测试数十种潜在的电池候选者。

哈特曼说：“我们预测，在这些层状电子材料中，添加和去除氟离子会导致结构变化明显变小，从而有助于实现更长的循环寿命。”

米什拉(Mishra)的实验室正在寻求与研究人员合作，这些研究人员可以合成本研究中确定的有希望的候选物，并在原型电池中对其进行测试。

麦凯维工程学院由一群从事电池研究的跨学科教授组成。能源，环境与化学工程学助理教授彭白近的研究使得能够近似估算电池的电流密度阈值，并准确预测任何特定电流密度的短路时间。

能源，环境与化学工程学教授Jason He近对将锂离子电池电化学“重新填充”到废电极中以再生有用的化合物(例如钴酸锂)进行了可行性研究。

计算机化测试将氟化物引入了层状氮化物氮化钙和次碳化钇的间隙中。能量存储能力接近锂离子电池的性能。在氮化二钙的情况下，它由相对丰富的元素组成，可以帮助克服锂离子电池中当前使用的元素的供应短缺。

Hartman将电池研究与Mishra小组的其他一些研究进行了对比，后者使用机器学习的“大数据”技术筛选了数千名候选人。

哈特曼说：“与我们进行的其他研究相比，这需要更多的直觉和反复试验。” “原则上，您可以在常规电极中添加很多氟离子来存储大量电荷，但是在实践中，这些理论容量很难管理。当我们在常规电极中添加氟离子时，它们会膨胀并急剧收缩。充放电，可能导致破裂和电接触损失。”

小化此体积和形状变化对于创建耐用的氟化物电池至关重要。