許多牙膏都含有氟化鈉（一種氟化合物）以防止齲齒。然而，含氟化合物還有其他意想不到的用途。美國能源部阿貢國家實驗室的研究人員發現了一種氟化物電解質，可以防止未來電池性能下降。阿貢化學科學與工程部門的小組負責人 Zhengcheng (John) Zhang 說：「除了鋰離子電池之外，新一代電動汽車電池類型即將問世，令人振奮。」
與鋰離子電池相比，非鋰離子電池的化學成分能在一定體積或重量下儲存兩倍或更多的能量。它們可以為汽車提供更長距離的動力，甚至有一天可以為長途卡車和飛機提供動力。人們期望這種電池的廣泛使用將有助於解決氣候變化問題。主要問題在於，它們的高能量密度會隨著反覆充放電而迅速下降。
主要競爭者之一的陽極（負極）由鋰金屬製成，取代了鋰離子電池通常使用的石墨。因此，它被稱為"鋰金屬"電池。陰極（正極）是一種含有鎳、錳和鈷（NMC）的金屬氧化物。雖然它的能量密度是鋰離子電池的兩倍多，但這種出色的性能在不到一百個充放電週期內就會迅速消失。
該團隊的解決方案涉及改變電解質，即鋰離子在陰極和陽極之間移動以實現充放電的液體。在鋰金屬電池中，電解液是一種由溶解在溶劑中的含鋰鹽組成的液體。循環壽命短問題的根源在於，在最初的幾個循環中，電解液無法在陽極表面形成足夠的保護層。這層保護層也稱為固態電解質間相（SEI），就像一個守護者，允許鋰離子自由進出陽極，分別為電池充電和放電。
研究小組發現了一種新的氟化物溶劑，它能在數百次循環中保持堅固的保護層。它將一種帶正電荷（陽離子）的氟化成分與另一種帶負電荷（陰離子）的氟化成分結合在一起。這種組合就是科學家們所說的離子液體--一種由正離子和負離子組成的液體。
Zhang說："我們的新型電解質的關鍵區別在於，在離子液體陽離子部分的環狀結構中，用氟取代了氫原子。"這對於在鋰金屬電池測試中保持數百次循環的高性能而言，是最重要的區別"。
為了更好地理解這種原子尺度差異背後的機理，研究小組利用了能源部科學辦公室使用者設施阿貢領導計算設施（ALCF）的高性能計算資源。
正如 Zhang 所解釋的，在 ALCF 的 Theta 超級電腦上進行的模擬顯示，在充放電循環開始之前，氟陽離子都會粘附並積聚在陽極和陰極表面。然後，在循環的早期階段，會形成一個彈性 SEI 層，其效果優於以前的電解液。
阿貢和西北太平洋國家實驗室的高解析度電子顯微鏡顯示，陽極和陰極上的高保護性 SEI 層導致了穩定的循環。
研究小組能夠調整氟化物溶劑與鋰鹽的比例，以形成具有最佳特性的層，包括不會太厚或太薄的 SEI 厚度。有了這層電解質，鋰離子就能在數百次充放電過程中有效地進出電極。
該團隊的新型電解質還具有許多其他優點。它成本低，因為只需一個簡單步驟就能製造出純度和產量極高的電解質，而無需多個步驟。它環保，因為它使用的溶劑更少，而溶劑具有揮發性，會向環境釋放污染物。而且由於它不易燃，因此更加安全。
"使用我們的氟化陽離子電解質的鋰金屬電池可以大大促進電動汽車行業的發展，"Zhang說。"這種電解質的用途無疑還可以擴展到鋰離子電池以外的其他類型的先進電池系統。
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