封伟教授团队EER综述：高能量密度氟离子电池(FIBs)的最新进展与未来机遇
近日，封伟教授团队在Electrochemical Energy Reviews期刊上发表题为 “Fluoride-Ion Batteries: A Review of Recent Advances and Future Opportunities” 的综述文章。第一作者为北京化工大学博士研究生刘恩豪，天津大学封伟教授和北京化工大学彭聪副研究员为该文的共同通讯作者。工作得到了国家自然科学基金等项目的经费支持。该文全面回顾了FIBs的发展历程，系统总结了电极材料和电解质的最新研究进展，并对未来的发展方向进行了展望。
【摘要】
对高能量密度氟离子电池（Fluoride-Ion Batteries, FIBs）的追求因对超越现有锂离子技术的储能解决方案需求不断增长而大大加快。作为一种有前景的替代方案，FIBs 利用氟——电负性最强的元素——来实现卓越的电极电位和能量密度。因此，全面了解 FIBs 的化学原理至关重要。为此，本综述深入探讨了 FIBs 研究的最新进展，涵盖了正极材料、负极材料和电解质。特别强调总结了电极材料的类型和电化学性能。综述最后提出了前瞻性的观点，探讨了 FIBs 面临的实际挑战、电极和电解质材料的未来发展、先进的原位表征技术、电池反应机制以及大数据驱动的机器学习（ML）的潜力。本文旨在对推进 FIBs 技术的关键领域进行详细综述，以提供理论指导和对该领域未来趋势的见解。
【为什么要关注氟离子电池？】
随着便携式电子设备和电动汽车的爆发式增长，现有的锂离子电池（LIBs）正逐渐逼近其能量密度的理论极限。此外，锂、钴等资源的匮乏也为大规模储能埋下隐患。在众多新型电池体系中，FIBs作为一种基于阴离子穿梭的二次电池，正以其独特的优势吸引着全球科研人员的目光 ：
1. 超高能量密度：氟是电负性最强的元素，F/F2氧化还原电位高。金属氟化物正极可提供高达5000 Wh/L 的理论体积能量密度，远超现有锂离子电池。
2. 资源丰富：地壳中氟的丰度是锂的 50倍 以上，且成本低廉，无资源枯竭之忧。
3. 高安全性：氟离子的穿梭机制避免了锂枝晶生长带来的短路风险，安全性显著提升。
【FIBs 是如何工作的？】
图1 FIBs与LIBs工作原理对比图
与传统的锂离子电池（阳离子穿梭）不同，FIBs 是基于氟阴离子（F-）在正负极之间的穿梭来实现电能存储的。
放电过程：F- 从正极脱出，穿过电解质，与金属负极发生氟化反应；电子通过外电路从负极流向正极。
充电过程：过程相反，金属氟化物还原为金属，释放出 F-。
有趣的是：FIBs中电子的转移方向与载流子（F-）的迁移方向是相反的，这与LIBs形成了鲜明对比。
【发展历程：从高温到室温的跨越】
图2 氟离子电池发展里程碑
FIBs的研究并非一蹴而就。从1974年概念的提出，到1990年代被锂电池光芒掩盖的“停滞期”，再到2011年以来随着新型电解质出现而进入的“成长期”，FIBs正在经历快速的技术迭代 。特别是近年来，随着室温固态电解质和液态电解质的突破，FIBs已不再局限于高温（>150 °C）运行，室温可充放电的FIBs正在成为现实。
【核心材料：挑战与突破】
1. 正极材料：转换型 vs 插层型
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转换型材料（如 CuF2、BiF3）：拥有极高的理论比容量（如 CuF2 为 528 mAh/g）。但面临充放电过程中巨大的体积变化（导致颗粒粉化、接触失效）以及电压滞后等问题 。改性策略： 纳米化、复合导电剂、构建核壳结构等。
图3 BiF3转换型阴极材料的电化学性质
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插层型材料（如 LaSrMnO4）：结构稳定，循环寿命长，但容量相对较低。最新进展：Ruddlesden-Popper相和钙钛矿结构材料展现了良好的循环稳定性。
图4 LaSrMnO4插入型阴极材料的电化学性质
2. 负极材料：寻找完美的“F- 捕手”
金属负极（Ce, La, Ca, Mg）：理论容量高，但易发生表面氧化钝化，且体积膨胀严重。
复合负极（Mg/MgF2）：通过预复合金属及其氟化物，可以有效缓解体积膨胀，改善界面接触。
3. 电解质：FIBs 的“血液”
电解质的离子电导率直接决定了电池的工作温度和倍率性能。
固态电解质：
Tysonite型（如 La1-xBaxF3-x）：经典体系，高温性能好。
MSnF4型（如 BaSnF4）：实现了较高的室温离子电导率（~10-4 S/cm），是目前室温固态FIBs的首选材料之一。
液态电解质：
为了解决固态接触差的问题，有机液态电解质和离子液体被引入。关键在于开发新型阴离子受体（如含硼化合物）来提高氟盐在有机溶剂中的溶解度，并抑制副反应。
水系/溶剂化电解质：
利用“Water-in-Salt”策略扩宽电化学窗口，实现了高安全性的水系FIBs。
图5 典型的液态电解质设计原理
【总结与展望】
尽管FIBs展现出巨大的潜力，但距离商业化应用仍面临诸多挑战：
1. 电导率问题：需进一步提升固态电解质在室温下的氟离子电导率。
2. 界面稳定性：解决电极/电解质界面的副反应及空间电荷层问题。
3. 体积效应：缓解转换型电极材料在循环过程中的体积膨胀与粉化。
4. 机理研究：利用原位表征技术（In-situ TEM/XRD）深入解析多电子反应机制。
5. 新工具：引入机器学习加速高通量材料筛选，预测新型高性能电极与电解质。
图6 今后对氟离子电池的一般规则和设计原则
结语：氟离子电池的研究正处于爆发的前夜。随着纳米技术、材料工程及计算科学的深度融合，FIBs有望克服现有的动力学与热力学瓶颈，成为未来高比能储能领域的有力竞争者。
【文章信息】
Title: Fluoride-Ion Batteries: A Review of Recent Advances and Future Opportunities Authors: Enhao Liu, Youkang Duan, Yu Li, Cong Peng*, Wei Feng*
Institution: Beijing University of Chemical Technology; Tianjin University.
文献链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-025-00268-7
