科學家們近日將目光轉向一項非傳統但充滿潛力的技術：熱電池。這些專門的設備在極端溫度環境下表現出色，而傳統電池往往無法應對。最近，研究人員在開發新型陰極材料方面取得了重大進展，這種材料顯著提升了性能，使我們更接近實用的高效熱能系統。過渡金屬氟化物被廣泛認為是有前景的陰極材料，因為它們具有高理論電壓和優秀的熱穩定性。然而，在實際電池中，這些材料在運作過程中往往會在電解質中溶解並遷移，這一現象通常被稱為「穿梭效應」，導致活性材料損失、容量下降和長期結構損壞。
為了解決這一問題，中國科學院過程工程研究所的王松教授和朱永平等研究團隊開發了一種新的方法來抑制過渡金屬氟化物陰極中的穿梭效應。該團隊的研究集中在工作溫度在 350 至 550 °C 的熱電池上，研究成果已於 1 月 4 日發表在《先進科學》期刊上。王松教授表示：「我們的研究結果為設計下一代高能量密度熱電池提供了機制基礎，通過精確的界面工程來實現。」這項工作不僅推進了對於如何在熔鹽系統中抑制穿梭效應的理論理解，還為金屬氟化物在其他高能量儲存設備中的應用開辟了新的可能性。
熱電池是一類特殊的電化學電池，旨在高於 300 °C 的高溫下工作。與在高溫下表現不佳的傳統鋰離子電池不同，熱電池使用熔鹽作為電解質，這些熔鹽在加熱時才會變得具備離子導電性。這使得熱電池能夠即時釋放能量，並在會摧毀典型儲存系統的環境中運行。這些特性使熱電池在某些行業中不可或缺，包括軍事應用、航空系統、緊急電源和深井鑽探設備等場景，這些地方對於可靠性和性能的要求極高。
然而，儘管熱電池具有堅固的特性，但它們歷來面臨一個核心限制：陰極性能。新研究旨在解決這一問題。在高溫熔融環境中，活性陰極顆粒可能會溶解到電解質中，並從其預定位置遷移。這種劣化不僅減少了可用的活性材料，還會引發副反應，降低性能並縮短電池壽命。可以想像，試圖用漂浮的磚塊建造堅固的牆壁，這正是陰極材料在熱電池中溶解所發生的情況。控制這一行為一直是實現高性能熱電池的主要障礙之一。
研究團隊通過創新的材料設計策略解決了這一問題。他們的突破點在於為 CoF₂ 顆粒工程設計一層專門的外殼，該外殼能夠選擇性地允許有益離子運輸，同時阻止有害的溶解路徑。這一方法的核心是來自共價有機框架（COF）的碳外殼。COF 是具有明確結構的結晶性多孔材料。通過將 COF 前驅物轉化為碳質塗層，研究團隊利用了其均勻的亞納米通道，這些微小的通道直徑約為 0.54 納米。
