随着可充电电池使用量的逐步增多，锂和钴的供应量变得越来越有限，研究人员一直在寻找可充电电池中锂离子的替代材料。圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的材料科学家们在氟中找到了锂的潜在替代品，氟是一种相对丰富且轻的元素。他们的研究发表在12月7日的《Journal of Materials Chemistry》上。
氟离子对电子的吸引力很强，这使它可以轻松进行电化学反应。日本的研究人员也在测试氟离子电池，作为汽车中锂离子电池的可能替代品。他们表示，这些电池可以让电动汽车一次充电跑1000公里（621英里）。然而，目前的氟离子电池的循环性很差，也就是说，它们的性能往往会随着充放电周期的增加而迅速退化。
研究人员Steven Hartman和Rohan Mishra采用了一种新的氟离子电池设计方法，确定了两种容易获得或失去氟离子的材料，同时进行微小的结构改变，以实现良好的循环性。机械工程与材料科学助理教授Mishra表示，新的电池材料都是层状电子化物。
Mishra说，电子化物是一类相对较新的材料，在原理上已经提出了大约50年，但直到过去10到15年，它们的特性才被更好地理解。虽然这些材料像普通金属一样传导电子，但与金属中的电子海洋不同，金属中的电子在整个晶体中都是离散的，而在电子化物中，电子驻留在晶体结构中的特定间隙位置，类似于离子。
“我们预测，这些间隙电子可以很容易地被氟化物离子取代，而不会对晶体结构产生明显的变形，从而实现可循环性，”Mishra说。”由于层状电子的结构相对开放，氟化物离子也可以相当容易地移动或扩散。”
计算机测试将氟化物引入分层电子氮化二钙和次碳化钇的间隙中。储能能力接近于锂离子电池的性能。就氮化二钙而言，它是由相对丰富的元素组成的，可以帮助克服目前锂离子电池中的供应不足。
Hartman说：”原则上，你可以在传统电极中加入大量的氟离子来存储大量的电荷，但在实践中，这些理论容量很难管理。当我们在传统电极中加入氟化物时，当它充电和放电时，它们会急剧膨胀和收缩，这可能会导致开裂和失去电接触。最大限度地减少这种体积和形状的变化对于制造耐用的氟化物电池至关重要。在这些分层的电子化物材料中，我们预测添加和去除氟化物离子将导致明显更小的结构变化，从而有助于实现更长的循环寿命。”
