牙膏中的常见成分可延长电动汽车的行驶里程

许多牙膏都含有氟化钠（一种氟化合物）以防止龋齿。然而，含氟化合物还有其他意想不到的用途。美国能源部阿贡国家实验室的研究人员发现了一种氟化物电解质，可以防止未来电池性能下降。阿贡化学科学与工程部门的小组负责人 Zhengcheng (John) Zhang 说："除了锂离子电池之外，新一代电动汽车电池类型即将问世，令人振奋。"

与锂离子电池相比，非锂离子电池的化学成分能在一定体积或重量下储存两倍或更多的能量。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。主要问题在于，它们的高能量密度会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，取代了锂离子电池通常使用的石墨。因此，它被称为"锂金属"电池。阴极（正极）是一种含有镍、锰和钴（NMC）的金属氧化物。虽然它的能量密度是锂离子电池的两倍多，但这种出色的性能在不到一百个充放电周期内就会迅速消失。

该团队的解决方案涉及改变电解质，即锂离子在阴极和阳极之间移动以实现充放电的液体。在锂金属电池中，电解液是一种由溶解在溶剂中的含锂盐组成的液体。循环寿命短问题的根源在于，在最初的几个循环中，电解液无法在阳极表面形成足够的保护层。这层保护层也称为固态电解质间相（SEI），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。

含氟阳离子电解液的锂金属电池设计（中间为原子结构）界面"区域代表阳极表面和阴极表面形成的含氟层。资料来源：阿贡国家实验室

研究小组发现了一种新的氟化物溶剂，它能在数百次循环中保持坚固的保护层。它将一种带正电荷（阳离子）的氟化成分与另一种带负电荷（阴离子）的氟化成分结合在一起。这种组合就是科学家们所说的离子液体--一种由正离子和负离子组成的液体。

Zhang说："我们的新型电解质的关键区别在于，在离子液体阳离子部分的环状结构中，用氟取代了氢原子。"这对于在锂金属电池测试中保持数百次循环的高性能而言，是最重要的区别"。

为了更好地理解这种原子尺度差异背后的机理，研究小组利用了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 Zhang 所解释的，在 ALCF 的 Theta 超级计算机上进行的模拟显示，在充放电循环开始之前，氟阳离子都会粘附并积聚在阳极和阴极表面。然后，在循环的早期阶段，会形成一个弹性 SEI 层，其效果优于以前的电解液。

阿贡和西北太平洋国家实验室的高分辨率电子显微镜显示，阳极和阴极上的高保护性 SEI 层导致了稳定的循环。

研究小组能够调整氟化物溶剂与锂盐的比例，以形成具有最佳特性的层，包括不会太厚或太薄的 SEI 厚度。有了这层电解质，锂离子就能在数百次充放电过程中有效地进出电极。

该团队的新型电解质还具有许多其他优点。它成本低，因为只需一个简单步骤就能制造出纯度和产量极高的电解质，而无需多个步骤。它环保，因为它使用的溶剂更少，而溶剂具有挥发性，会向环境释放污染物。而且由于它不易燃，因此更加安全。

"使用我们的氟化阳离子电解质的锂金属电池可以大大促进电动汽车行业的发展，"Zhang说。"这种电解质的用途无疑还可以扩展到锂离子电池以外的其他类型的先进电池系统。