布魯克黑文實驗室的王馮教授鄭將陰極材料樣品諸如XRD衍射儀的樣品托里，地點為NSLS II。組里的其他成員(從左到右)為Jianming Ba, Eric Dooryhee 和Sanjit Ghose。

　　鋰離子電池在我們的生活中扮演著非常重要的角色，它為我們的手機、筆記本、平板電腦或是其他電子設備提供能源，這樣這些電子產(chǎn)品才能隨身攜帶而不用時時刻刻連接電源。鋰離子電池甚至可以用來驅動汽車。但要制造生產(chǎn)壽命長、能量密度大、效率高的鋰離子電池，科學家們勢必要找到一種比目前性能更加優(yōu)良的電池材料。

　　在美國能源部的布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)，其中有一個科研團隊對一系列過渡金屬氟化物材料進行了研究，過渡金屬氟化物材料可被用于制造鋰電池的陰極。他們發(fā)現(xiàn)，在氟化鐵中摻雜銅離子能使該材料儲存更多的鋰離子，容量大概是傳統(tǒng)陰極材料的三倍。而且，測試數(shù)據(jù)表明這種材料制得的陰極的能量效率也會更高。

　　該研究成果發(fā)表在《自然通訊》上。

　　在鋰離子電池中，鋰離子是在正負極之間不停往返的。當電池處于放電狀態(tài)時，鋰離子被負極接受，電池向外供能。當負極再也接收不到鋰離子時，就代表著電池里的電已經(jīng)用完了。然后，當電池再次充電時，陰極中的鋰離子就會返回陽極。這樣一來，決定電池性能的一個關鍵因素就是它能儲存多少鋰離子。目前的陰極材料(通常由鋰制成，會摻雜金屬或氧化物)的儲存能力并不強。

　　過渡金屬氟化物通常由氟元素和一種或多種金屬元素組成，比如鐵和銅，它擁有比傳統(tǒng)電極材料更大的容量。可能的原因是儲存原理不同。傳統(tǒng)的電極材料在分子層與層之間儲存離子，也就是“嵌入式儲存”，而金屬氟化物是通過可逆的電化學反應來儲存離子，稱為轉化反應。這是一個多步反應過程，金屬氧化物失去電子，和氟離子之間的化學鍵斷開，然后鋰離子電池和氟離子成鍵，當然，這個過程是可逆的。

　　然而，金屬氟化物存在著明顯的弊端，因此離在電池上的應用還很遙遠，以氟化銅(CuF2)為，雖然它具有非常高的容量，但是它的電化學活性卻很低，除此之外，它的轉化反應是不可逆的。至于其他金屬氟化物材料，像氟化鐵(FeF2 和 FeF3)，雖然它的轉化反應是可逆的，但它的儲存容量卻很低，能量效率也并不高。

　　“關于金屬氟化物的研究由很多，但是跟氟化物合金轉化反應相關的研究卻并不是很多，”論文的第一作者，布魯克黑文可持續(xù)能源技術部的物理學家王馮說道?！拔覀冊谵D化反應方面有重大的突破，并且找到了解決阻礙金屬氟化物材料發(fā)展的問題的方法，為進一步的研究開辟了一條新的途徑?！?/p>

　　論文共同作者有：布魯克海文實驗室的金成旭,王麗萍和蘇東;韓國首爾大學的劉捷生和孫承業(yè);還有HRL實驗室的John Vajo，John Wang和Jason Graetz。該研究的設備由國家同步光學中心(NSLS，現(xiàn)為NSLS-II)和功能納米材料中心提供。他們的工作建立在兩篇發(fā)表于《美國化學學會》和《自然通訊》上的文章之上，這兩篇論文是關于FeF2 在電池中應用的優(yōu)點的，并可能實驗高可逆程度的轉化反應。

　　以這些研究成果為基礎，該研究團隊開始用FeF2來制備電極，后來在鐵晶格摻雜了銅原子。他們合成了許多鐵銅比例不同的樣品，并做“真實測試”(在實際條件下做對照試驗)，對比它們的活性和結構性質?！安东@”銅原子的鐵晶體能同時發(fā)生氧化反應，并且能在需要時進行可逆的還原反應。而且，這一反應能在非常低的滯后電壓下發(fā)生。使用測量參數(shù)是反應消耗體系儲存量的多寡;簡而言之，它是反應陰極在充電過程中能量效率高低的參數(shù)。