许多牙膏中的成分是氟化钠，一种氟化合物。添加它是为了防止牙齿腐烂。但含氟化合物还有其他可能令您惊讶的实际用途。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家发现了一种氟化物电解质，可以保护下一代电池免遭性能下降。
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阿贡化学科学与工程部门的组长张正成(John)Zhang表示：“除锂离子之外，令人兴奋的新一代电动汽车电池类型即将出现。”
与锂离子电池相比，非锂离子电池的化学成分在给定体积或重量下可提供两倍或更多的能量存储。它们可以为汽车提供更长距离的动力，甚至有一天可以为长途卡车和飞机提供动力。人们期望这种电池的广泛使用将有助于解决气候变化问题。主要问题是它们的高能量密度随着反复充放电而迅速下降。
主要竞争者之一的阳极(负极)由锂金属制成，代替了锂离子电池中通常使用的石墨。因此被称为“锂金属”电池。阴极(正极)是含有镍、锰和钴的金属氧化物(NMC)。虽然它可以提供比锂离子电池高出一倍以上的能量密度，但这种出色的性能在不到一百次的充放电循环内就会迅速消失。
该团队的解决方案涉及改变电解质，锂离子通过电解质在阴极和阳极之间移动以实现充电和放电。在锂金属电池中，电解质是由溶解在溶剂中的含锂盐组成的液体。短循环寿命问题的根源在于电解质在最初的几个循环中没有在阳极表面形成足够的保护层。该层也称为固体电解质界面层(SEI)，其作用就像一个守护者，允许锂离子自由进出阳极，分别为电池充电和放电。
他们的研究发表在《自然通讯》杂志上。
该团队发现了一种新的氟化物溶剂，可以在数百次循环中保持坚固的保护层。它将带正电(阳离子)的氟化组分与带负电(阴离子)的不同氟化组分偶联。这种组合就是科学家所说的离子液体——一种由正离子和负离子组成的液体。
“我们的新型电解质的主要区别在于，离子液体阳离子部分环状结构中的氢原子被氟取代，”张说。“这使得测试锂金属电池在数百次循环中保持高性能方面发挥了重要作用。”
为了更好地理解原子尺度上这种差异背后的机制，该团队利用了美国能源部科学办公室用户设施阿贡领导计算设施(ALCF)的高性能计算资源。
正如张解释的那样，ALCF的Theta超级计算机上的模拟表明，在任何充放电循环之前，氟阳离子会粘附并积聚在阳极和阴极表面。然后，在循环的早期阶段，会形成弹性SEI层，其性能优于以前的电解质。
阿贡国家实验室和西北太平洋国家实验室的高分辨率电子显微镜显示，阳极和阴极上的高度保护性SEI层导致了稳定的循环。
该团队能够调整氟化物溶剂与锂盐的比例，以创建具有最佳性能的层，包括不太厚或不太薄的SEI厚度。由于这个层，锂离子可以在数百个循环的充电和放电过程中有效地流入和流出电极。
该团队的新型电解质还具有许多其他优点。它成本低廉，因为它可以通过一个简单的步骤而不是多个步骤来获得极高的纯度和产量。它是环保的，因为它使用的溶剂少得多，而溶剂具有挥发性，可以将污染物释放到环境中。而且它更安全，因为它不易燃。
“采用我们的氟化阳离子电解质的锂金属电池可以极大地促进电动汽车行业的发展，”张说。“这种电解质的用途无疑可以扩展到锂离子以外的其他类型的先进电池系统。”
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