电动车产业的明日之星：续航1000km氟离子电池

目前电动车有最多消费者感到疑虑的是锂动力电池问题，下一代车用电池很可能是钠电池，而氟离子电池可能是电动车产业最具革命性的改变。（图／Shutterstock）

随着电动车潮流快速发展，锂电池的原料与制造已成为目前电动车业的核心竞争力。中国目前在全球锂电池具有独霸性的主宰力量，不过其他国家的科技人员并没有放弃，他们在氢能源电池暂居下风后，又开辟了多种新电池材料研究，目前以氟离子电池最被看好。它的原料来源丰富，储电能力是锂电池的6~7倍以上，可让电动车续航能力达1000公里，已有多家大企业投入研究，同时还运用超级电脑与机器学习参与开发。

氟离子电池工作原理简图。（图／SMALL期刊）

在电动车市场刚开始快速成长之际，车用电池的能力已成为电动车最重要的性能。目前车用动力电池主流是锂电池，在全球车用锂电池市占率前10名有6家是中国企业，全球超过一半的车用锂电池是中国所生产。不只是市占率，中国企业在锂矿的投资也同样令人侧目，陆企在非洲、南美洲、澳大利亚各地抢占锂矿资源，让许多国家汽车业者担忧未来矿源被中国所掌控。

电动车消费者使用上最大的问题仍在于车用电池的性能与安全性。（图／Shutterstock）

不过这样的状况可能很快就会有戏剧化的转变。包括日、中、美、英等国已有不少业者研究机构已投入氟离子电池的开发，它的电极结构较锂电池更简单，充放电反应效率更高，体积小、重量轻，原料来源约为锂元素的50倍，价格较锂电池使用的锂、钴便宜很多，制造过程也不需要稀有金属，不存在资源瓶颈问题。

中国的电动车发展迅速，专注电动车制造的比亚迪同时也是锂电池的大供应商。（图／新华社）

在众所关切的安全性问题上，由于氟元素电负性极强，氟离子很难形成相应的单质，因此安全性比使用有机液体电解质的锂离子电池高出许多。另一个关键的问题则是能量密度，氟离子电池的能量容量是锂电池的6~7倍以上，充饱一次可续航超过1000公里，甚至比现在的燃油车加满油的航程更大。

图为安徽合肥车用锂电池生产线。（图／中新社）

目前开发进程比较领先的是日本京都大学，他们在2017年利用液态电解质开发出能在室温下工作的氟离子电池，取代了先前要150℃工作温度的固态电解质氟离子电池。2020年京都大学与丰田汽车合作试制了车用氟离子电池原型，成效令人鼓舞，预料数年之内就可能会成为锂电池的强劲对手。

在中国方面，已公开的研究有2021年底中国科技大学马骋教授团队设计出钙钛矿氟离子导体的固态电解质电池，首次实现室温下全固态氟离子电池的稳定长时间循环，在25℃下持续充放电4581小时后，容量没有发生显著衰减，此一成果虽然尚未能赶上锂电池的性能，但是对未来氟离子电池耐用性研究也很有意义。日本立命馆大学的冈崎健一教授今年9月发布的研究则是针对电极材料与电解质最佳组合，试图找出充放电效率高于锂电池的搭配机制。

天津宝坻九园新一代动力电池产业主题园区内的锂电池生产线。（图／新华社）

为了挑选出氟离子电池使用电极与电解质材料的最佳配置，美国北卡罗莱纳州大学教堂山（Chapel Hill）分校史考特.华伦（Scott Warren）实验室设计了一种使用超级电脑的机器学习方法，该方法可以快速准确地计算出氟离子在任何已知的含氟晶体中移动的难易程度。研究人员以分层运算方法来筛选14万种已知材料的数据库，并模拟出上万种氟离子化合物及相关材料的电传导性能，目前已找到一种材料是含氟化物的锌钛化合物ZnTiF6，有希望用作氟离子电池的电解质，实验室甚至将它申报了专利。

氟离子电池的电极结构较锂电池更简单，充放电反应效率更高，体积小、重量轻，日、中、美、英等国已有不少业者研究机构已投入氟离子电池的开发。（图／Shutterstock）

美国北卡罗莱纳大学的这项研究还有另一个意义，即新的材料与产品的研发进程在超级电脑与AI机器学习的辅助下，将不需要像以前实验室一样将所有已知的候选方案进行人工试验，在超级电脑与AI辅助下，能使研究进程与速度提高到过去难以想像的程度。过去需要数年时间才开发得出来的新材料，未来可能只要数个月就能完成，因此新的车用动力电池可能比我们想像的更快进入商用阶段。

还有部份人士提出，氟离子电池虽然安全性与蓄电容量有长足进步，但充电效率仍然偏低，充电仍需要较多时。这个问题并不令人担心，毕竟比起电容量与安全性来说，这不是难解的问题。目前毫无疑问的是，氟离子电池一旦商用化，将使电动车市场为之震撼，燃油车将加快速度退场，这对推进全球减碳目标将有极大的效用。