新型氟電池有望代替鋰電池

最近發表在《材料化學A刊》（Journal of Materials Chemistry A）上的一份研究，提出用氟電池代替鋰電池的設計方案。氟是相對於鋰來說，資源更加豐富的替代材料。

現在大部分電池使用鋰和鈷，2種都是稀有元素。日本的研究者也在研發氟離子電池替代鋰電池做為汽車電池，他們說氟電池單次充電可跑1千公里。只是目前的氟離子電池充放電的壽命短，在充電和放電的周期下，損壞很快。

這份研究稱，採用了另一種氟離子電池的設計，可以解決這個問題。

美國聖路易斯華盛頓大學機械工程與材料科學助理教授米什拉（Rohan Mishra）說，新設計採用是的分層離子化合物（electride）系統。離子化合物是一種相對新的材料，理論引入已經大約有50年了，但是直到最近的10~15年裡，科學家才開始了解它們的特性。

普通導電材料內，電子像「海水」般在晶體內四處流動，而在離子化合物內，電子是負離子，像離子一樣駐留在晶體結構內特定的間隙位置。

米什拉說：「我們預測，在對晶體結構不會造成顯著影響的情況下，這些間隙電子可以容易地被氟離子代替，從而實現充放電周期。由於分層離子化合物相對開放的結構特點，氟離子也易於移動和均勻地分布。」

這份研究藉助人工智慧進行量子力學計算，從大量的候選材料中確定了這個設計方案，將氟化物引入由氮化二鈣和次碳化釔組成的分層離子化合物的間隙中。

利用人工智慧輔助進行材料設計，是現在很多研究領域採用的方法。傳統的材料設計需要經過設計、在實驗室用實物測試，再換材料，再設計，不斷反覆的過程，需要花費大量的時間和成本。利用人工智慧可以大幅縮短研發時間，從大數據內自動為研究人員建議可能性較好的方案。

合作研究者洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的哈特曼（Steven Hartman）說，從理論上說，把氟離子加入傳統的電極材料儲電性能很好，但是在充放電過程中，這些電極材料脹大和縮小形變嚴重，使得它們很容易斷裂或失去導電性，導致壽命短。

因此，找到充放電過程中形變最小的設計方案，是設計出耐用氟電池的關鍵所在。哈特曼說：「在分層離子化合物材料裡，我們預測，加入和移除氟離子的過程對材料結構的形變影響是很小的，因此可以實現較長的壽命。」

米什拉說，他們正在尋找合作方按照他們的設計造出電池原型並展開測試。◇