2015/05/22-劉時君

鋰離子電池是現代電子裝置不可或缺的組件，不論在手機、筆記型電腦、平板電腦、其他行動裝置甚至是電動汽車，都看得到鋰離子電池蹤跡。不過，科學家也努力找出新式電池材質，提供壽命更長、效能更佳、電量更足的電池，而銅原子與氟化金屬組合的潛力不小。

據R&D網站報導，美國能源部(DOE)所屬布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory；BNL)進行「過渡金屬氟化物」(transition metal fluoride)研究時，發現氟化鐵(iron fluoride)加入銅原子後，會形成一種能儲放鋰離子(lithium-ion)的新型氟化材質，可達傳統鋰離子電池陰極材質的3倍儲放量。

研究員表示，該研究將銅原子以不同比例，加入氟化鐵的鐵晶格當中，並同步(in operando)操作、監測樣本的反應與結構變化。研究發現，鐵離子會包圍銅原子，進行合作氧化(cooperative oxidation)作用，最後使銅離子產生可逆的氧化還原反應。

鋰離子電池起作用時，離子會在電池陰極、陽極兩端來回奔走，離子被陰極吸收時，電池就會放電、提供電能。當陰極無法再接收離子，代表電池電能耗盡。而替裝 置充電時，離子又再度被拉向陽極。因此，衡量電池效能的關鍵參數之一，就是可儲放多少離子。目前電池陰極材質，主要由鋰、其他金屬、與氧氣製備，可存放離 子數有限。

過渡金屬氟化物，比起傳統陰極材質具更高的離子儲放效能。這是因為，傳統陰極材料會在分子結構層內嵌入(intercalation)離子，而金屬氟化物則會產生可逆的電化學作用儲放離子，又稱作轉化反應(conversion reaction)。

2015年1月學術界發表了鋰充電電池內高能量密度陰極的相關專利，同樣提議用成本低的金屬氟化物，作為鋰離子電池陰極材料，並以商業用途為目的。

不過，金屬氟化物於電池應用的相關研究仍有不少重大挑戰。舉例來說，氟化銅(Copper fluoride)是具高操作電壓的陰極材料，但電化學活性差，而其轉化反應也不可逆。而氟化鐵材質具可逆的轉化反應，但操作電壓低、電池效能差。

研究人員發現，銅原子加入氟化鐵後，電壓極低，產生「遲滯現象」(hysteresis)，表示陰極效能佳。研究結果顯示，在電池中加入新的陽離子，可能就是調節轉化型電子中電化學特性的關鍵。

不過，研究人員也發現，銅離子反應過後，會開始分解，最後重挫電池效能，因此也提出未來研究建議，包括用表面鍍膜穩定電位高的電極、設置阻障層預防銅離子交會。

BNL永續能源技術部門主任指出，該研究展示同步X光技術(in-operando synchrotron x-ray)如何監測新材質的化學循環反應，對未來相關研發也有所助益。而該研究團隊也表示，將持續檢視鋰離子電池循環作用，找出最佳應用解決方案。