随着可充电电池越来越多地被用于为现代技术(尤其是电动汽车)提供动力，研究人员一直在寻找可充电电池中锂离子的替代材料。现代电池使用锂和钴，但它们的供应非常有限。
华盛顿圣路易斯大学麦凯工程学院的材料科学家发现了氟中锂的潜在替代品，氟是一种相对丰富且较轻的元素。他们的研究成果发表在12月7日的《材料化学杂志》上。
有趣的是，氟离子与锂离子相反，对电子的吸引力最强，容易进行电化学反应。研究人员也在测试氟离子电池，以取代汽车中的锂离子电池。他们说，这些电池可以让电动汽车一次充电行驶1000公里(621英里)。然而，目前的氟离子电池循环性差，即随着充放电循环，它们往往会迅速降解。
研究人员Steven Hartman和Rohan Misra采用了一种新的氟离子电池设计方法，可以识别出两种容易发生氟离子损失或流失的材料，并对其进行微小的结构改变，使其具有良好的可回收性。机械和材料科学助理教授米什拉说，这种新型电池材料是层状电极。
米什拉说，电极是一种相对较新的材料，原则上已有50多年的历史，但直到近10年到15年，才更好地了解其性能。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”不同，在电子中，电子在整个晶体中离域，但在电子中，电子像离子一样位于晶体结构的特定间隙。
米什拉说：“我们预测，这些间隙电子可以很容易地被氟离子取代，而不会造成晶体结构的明显变形，从而实现可回收性。”由于层状电子相对开放的结构，氟离子很容易移动或扩散。
哈特曼是材料科学与工程学院的校友。在获得洛斯阿拉莫斯国家实验室博士后奖学金之前，他在米什拉实验室获得博士学位。他用量子力学计算测试了几十种潜在的电池候选。
计算机化的测试将氟化物引入层状氮化钙和次碳酸钇之间的间隙。储能容量接近锂离子电池。在氮化二钙的情况下，它由相对丰富的元素组成，这可以帮助克服目前用于锂离子电池的元素供应短缺。
哈特曼将电池研究与米什拉团队的其他研究进行了比较，米什拉团队利用机器学习的“大数据”技术筛选了数千名候选人。
哈特曼说：“与我们进行的其他研究相比，这需要更多的直觉和反复试验。”“原则上，你可以在常规电极中加入大量氟离子来储存大量电荷，但实际上，这些理论容量很难管理。当我们在传统电极中加入氟离子时，它们会急剧膨胀和收缩。充电和放电可能导致破裂和失去电接触。”
最小化这种体积和形状的变化对于制造耐用的氟化物电池非常重要。
哈特曼说：“我们预测，在这些层状电子材料中添加和去除氟离子将导致明显更小的结构变化，这将有助于实现更长的循环寿命。”
米什拉的实验室正在寻求与研究人员合作，他们可以合成这项研究中确定的有希望的候选电池，并在原型电池中进行测试。
麦凯工程学院由一群从事电池研究的跨学科教授组成。能源、环境和化学工程助理教授白鹏最近的研究使得近似电池的电流密度阈值和精确预测任何特定电流密度的短路时间成为可能。
能源、环境和化学工程教授Jason He最近进行了一项可行性研究，将锂离子电池电化学“再填充”到废弃电极中，以再生有用的化合物(如钴酸锂)。
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