作為鋰離子電池之后最有前景的候選者之一，可充電氟離子電池（FIBs）自2011年問世以來憑借其高元素豐度、低成本和高理論能量密度有望成為下一顆儲能界的明星。在匹配特定的正極和負極時，FIBs的能量密度理論上可以達到5000 Wh L^-1。然而，在過去13年的發展中，由于缺乏合適的電解質進行快速有效的F離子傳輸以及兼容活性負極，實際的FIBs還無法達到能量密度的理論值。目前開發的電解質可分為陶瓷固體電解質和液體電解質，但兩者在各自領域都遇到了相應的挑戰性問題。陶瓷固體電解質通常在室溫下表現出低離子電導率，僅在更高溫（比如150°C）下可逆運行，并且通常使用稀土元素，導致FIBs成本的顯著增加。而基于氟受體的液體電解質界面穩定性通常較差，容易導致活性物質溶解，并且由于使用易燃溶劑通常面臨安全問題。固體聚合物電解質（SPE）不僅可以避免有機液體電解質的易燃性，而且由于機械剛度較低，還可以改善電極和固體電解質之間的界面接觸。因此，開發一種全新的氟離子聚合物電解質來實現室溫氟離子傳輸和電極持續可逆氟化/脫氟，對FIBs的發展至關重要。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所李馳麟研究員團隊首次提出聚合物型近室溫全固態可充氟離子電池的構筑理念，開發了一種針對可充氟離子電池的聚乙烯醇-硼砂-甘油（PBG）基聚合物電解質。通過聚乙烯醇（PVA）鏈上F^-和-OH之間的氫鍵作用可實現氟鹽的解離以及F^-沿PVA鏈的傳輸。而從硼砂中解離的B(OH)₄^-可以用作交聯劑，通過與PVA上的羥基反應脫水形成具有3D交聯結構的聚合物。PVA基膜通常表現出高結晶度和高熔點，導致機械性能和界面接觸欠佳，而合成過程中加入甘油，可以通過硼介導的交聯與聚合物鏈強烈相互作用，可以顯著消除PVA的結晶微區，提高聚合物的低溫抗凍性和機械性能。與硼砂交聯后，路易斯堿性硼酸酯位點能夠通過離子-偶極相互作用抑制陽離子穿梭和活性材料在電解質中的溶解。

得到的PBG電解質的離子電導率在30°C時為2.82×10^-4 S cm^-1，在60°C時高達1.08×10^-3 S cm^-1（接近液態電解質水平）。此外，PBG電解質的平坦柔軟表面能夠與正極進行更充分的接觸，可以顯著降低電極/電解質界面傳輸過程的活化能。得益于高離子電導率和更容易的界面傳輸，即使在沒有界面潤濕劑和額外離子導電網絡以及純金屬箔作為負極的條件下，基于PBG聚合物電解質的全固態FIBs的初始放電容量在25 mA g^-1時高達209.7 mAh g^-l，可逆容量保持在141.3 mAh g^-l，能夠在125 mA g^-1的高電流密度下進行可逆循環，并保持穩定的庫侖效率（~100%）。這項工作為安全可靠且柔性的FIBs設計提供了一種全新的解決方案。

相關成果以“Polymer Electrolyte Based All-Solid-State Rechargeable Fluoride Ion Batteries”為題發表于Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2410891。論文第一作者是上海硅酸鹽所博士生余一凡和李古月，通訊作者是李馳麟研究員，相關研究得到了國家自然科學基金委和上海市科委等項目的資助和支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202410891

圖1 PBG電解質的制備和表征

圖2 PBG電解質中的反應和離子遷移機制

圖3 PBG電解質的離子電導率和電子電導率

圖4 CuF₂|PBG1|Pb全固態電池在60℃下的電化學性能

圖5 CuF₂和PBG1界面動力學分析