中科大团队首次在室温实现全固态氟离子电池长循环，持续充放电4581小时( 二 ) 作为目前电池领域的“主力”

而为数不多的在室温具备合适氟离子电导率的材料，电化学窗口却非常窄，只能允许不超过0.5V的电池电压，并不具备太大实用价值。
该研究中的固态电解质CsPb0.9K0.1F2.9 ，由于具备特别有利于阴离子传输的钙钛矿结构，因此其氟离子电导率得以达到10-3Scm-1这一对锂离子固态电解质而言也堪称优秀的水准。
至于电化学窗口，它的氧化和还原都是基于Pb2+ ，并不像已报道的室温氟离子导体那样基于Sn2+ ，而Pb2+的氧化和还原电位之间的差别远远大于Sn2+ 。因此，固态电解质CsPb0.9K0.1F2.9在具备高离子电导率的同时，也得以拥有较宽的电化学窗口。

文章图片
图丨氟离子固态电池室温下充放电性能（来源：Small）
实验结果显示，基于这种新型固态电解质CsPb0.9K0.1F2.9的氟离子电池打破了以往高温条件的限制，首次实现了室温下氟离子全固态电池的稳定长循环，在25°C下长时间充放电后，并没有出现现严重的容量衰减。
这一全固态电池的循环稳定性，甚至远远超过2018年加州理工学院在Science上报道的基于液态电解质的氟离子电池。

文章图片
图丨氟离子电池固态电解质的晶体结构（来源：Small）
“作为载流子，氟离子或许是诸多离子中最接近锂离子的存在。 ”马骋教授说：“锂离子是除了H+以外半径最小、电荷最少的阳离子，而氟离子是除了H-以外半径最小、电荷最少的阴离子。因此，它其实相当适合作为电池载流子。 ”
除了和锂离子高度相似之外，基于氟离子构筑的固态电池，还可以同时解决锂离子储能技术的“三大瓶颈” ，即安全性、能量密度及原材料供应。
第一，安全性。和全固态锂电池类似，全固态氟离子电池也使用不可燃的无机固态电解质，因此安全性超过目前使用有机液体电解质的商业化锂离子电池。
但优于全固态锂电池的是，由于氟是电负性最强的元素，导致氟离子很难形成相应的单质。因此，氟离子电池中并不容易发生类似锂离子形成锂枝晶的反应，从而构成安全隐患；而和锂枝晶相关的安全问题，即便对全固态锂电池而言也仍是难以克服的瓶颈。
第二，能量密度。根据文献报道，氟离子电池的理论能量密度可以高达5000WhL
-1 ，大约是目前锂离子电池能量密度的8倍，甚至比能量密度最高的锂空气电池还高出50% 。
第三，原材料供应。氟元素的地壳丰度是锂元素的50倍左右，因此氟离子电池在原材料供应方面的压力或将远低于锂离子电池。
解决氟离子电池“卡脖子”电解质难题，电池固态化发展是趋势
该研究历时2年多，由于氟离子电池的报道和文献相当有限，可参照的数据不多。因此，这项研究从很多方面来说，都是从“零”开始的。
从技术的发展看来，固态电池可以与一些先进技术结合。马骋举例说道， “对固态电解质而言，其实完全可以考虑利用3D打印技术实现高效的生产和更小的厚度，甚至发展一些仅适用于固态的独特电池构造，这一点将和基于液态电解质的传统锂离子电池有着很大不同。 ”

文章图片
图丨电化学稳定性（来源：Small）
马骋团队发现的这一新型氟离子固态电解质突破了该领域的一个重大瓶颈。在此基础上，如果能通过材料设计发现更合适的正极材料和负极材料，那么将有望实现比全固态锂电池更具实用价值的全固态氟离子电池。