布鲁克黑文实验室的王冯教授郑将阴极材料样品诸如XRD衍射仪的样品托里，地点为NSLS II。组里的其他成员(从左到右)为Jianming Ba, Eric Dooryhee 和Sanjit Ghose。

　　锂离子电池在我们的生活中扮演着非常重要的角色，它为我们的手机、笔记本、平板电脑或是其他电子设备提供能源，这样这些电子产品才能随身携带而不用时时刻刻连接电源。锂离子电池甚至可以用来驱动汽车。但要制造生产寿命长、能量密度大、效率高的锂离子电池，科学家们势必要找到一种比目前性能更加优良的电池材料。

　　在美国能源部的布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)，其中有一个科研团队对一系列过渡金属氟化物材料进行了研究，过渡金属氟化物材料可被用于制造锂电池的阴极。他们发现，在氟化铁中掺杂铜离子能使该材料储存更多的锂离子，容量大概是传统阴极材料的三倍。而且，测试数据表明这种材料制得的阴极的能量效率也会更高。

　　该研究成果发表在《自然通讯》上。

　　在锂离子电池中，锂离子是在正负极之间不停往返的。当电池处于放电状态时，锂离子被负极接受，电池向外供能。当负极再也接收不到锂离子时，就代表着电池里的电已经用完了。然后，当电池再次充电时，阴极中的锂离子就会返回阳极。这样一来，决定电池性能的一个关键因素就是它能储存多少锂离子。目前的阴极材料(通常由锂制成，会掺杂金属或氧化物)的储存能力并不强。

　　过渡金属氟化物通常由氟元素和一种或多种金属元素组成，比如铁和铜，它拥有比传统电极材料更大的容量。可能的原因是储存原理不同。传统的电极材料在分子层与层之间储存离子，也就是“嵌入式储存”，而金属氟化物是通过可逆的电化学反应来储存离子，称为转化反应。这是一个多步反应过程，金属氧化物失去电子，和氟离子之间的化学键断开，然后锂离子电池和氟离子成键，当然，这个过程是可逆的。

　　然而，金属氟化物存在着明显的弊端，因此离在电池上的应用还很遥远，以氟化铜(CuF2)为，虽然它具有非常高的容量，但是它的电化学活性却很低，除此之外，它的转化反应是不可逆的。至于其他金属氟化物材料，像氟化铁(FeF2 和 FeF3)，虽然它的转化反应是可逆的，但它的储存容量却很低，能量效率也并不高。

　　“关于金属氟化物的研究由很多，但是跟氟化物合金转化反应相关的研究却并不是很多，”论文的第一作者，布鲁克黑文可持续能源技术部的物理学家王冯说道。“我们在转化反应方面有重大的突破，并且找到了解决阻碍金属氟化物材料发展的问题的方法，为进一步的研究开辟了一条新的途径。”

　　论文共同作者有：布鲁克海文实验室的金成旭,王丽萍和苏东;韩国首尔大学的刘捷生和孙承业;还有HRL实验室的John Vajo，John Wang和Jason Graetz。该研究的设备由国家同步光学中心(NSLS，现为NSLS-II)和功能纳米材料中心提供。他们的工作建立在两篇发表于《美国化学学会》和《自然通讯》上的文章之上，这两篇论文是关于FeF2 在电池中应用的优点的，并可能实验高可逆程度的转化反应。

　　以这些研究成果为基础，该研究团队开始用FeF2来制备电极，后来在铁晶格掺杂了铜原子。他们合成了许多铁铜比例不同的样品，并做“真实测试”(在实际条件下做对照试验)，对比它们的活性和结构性质。“捕获”铜原子的铁晶体能同时发生氧化反应，并且能在需要时进行可逆的还原反应。而且，这一反应能在非常低的滞后电压下发生。使用测量参数是反应消耗体系储存量的多寡;简而言之，它是反应阴极在充电过程中能量效率高低的参数。