電動汽車續航有望翻倍了！日本豐田汽車與京都大學等多家日本頂尖研究機構聯合攻關，開發出了一種革命性的銅氮化物（Cu₃N）正極材料，使全固態氟離子電池的體積能量密度達到鋰離子電池的約3倍，重量能量密度提高至2倍！這意味着電動汽車續航里程有望從目前的600公里猛增至1200公里，徹底解決"里程焦慮"！這項研究已發表在1月13日化學領域頂級期刊《美國化學學會雜誌》上，引起學術界和產業界的廣泛關注。

但是，這項技術是如何實現的呢？故事要從一個小小的原子說起……

鋰離子電池的困境

張大同博士是京都大學的一名研究員，他和同事山本健太郎教授多年來一直在爲電動汽車的"里程焦慮"問題絞盡腦汁。

"鋰離子電池已經觸及天花板了，"張博士搖着頭說，"資源有限，成本居高不下，安全性還存在隱患，我們必須尋找新的突破口。"

就在團隊幾乎要放棄的時候，一個意外的發現點亮了希望的火花。

意外的發現

那是一個寂靜的實驗室夜晚，張博士無意中注意到銅氮化物（Cu₃N）材料上的一些奇怪現象。

"等等，這個材料的結構很特別，"他突然興奮地說，"銅原子是線性配位的，周圍有足夠的空位可以容納氟離子！"

這個靈光一閃的想法，成爲了改變電池技術的關鍵。

氟離子：被忽視的明星

爲什麼是氟離子？

"氟離子是一種單價負離子，體積小，在固體中移動速度快，理論上比鋰離子更適合作爲電池的載流子，"山本教授解釋說，"而且氟元素在地球上的儲量遠超鋰，更加經濟可持續。"

但長期以來，氟離子電池一直被忽視，主要是因爲缺乏高性能的正極材料。

銅氮化物的驚人表現

研究團隊經過無數次嘗試，終於製備出了純相的Cu₃N材料，並將其應用在全固態氟離子電池中。

結果令人震驚，測試時電池竟然達到了550毫安時/克的可逆容量！這幾乎是常規鋰離子電池正極材料（120-250毫安時/克）的兩倍多！

革命性的工作原理

那麼，這種電池爲何能有如此高的容量呢？

祕密在於其獨特的反應機理。在傳統電池中，通常只有金屬離子參與氧化還原反應。但在這個新電池中，氮原子也積極參與了電化學反應。每個氮原子可以釋放三個電子，就像是在同一塊土地上收穫了三倍的糧食！

具體來說，充電過程中，氟離子從正極材料中脫出，同時銅和氮原子都被氧化；放電時，氟離子重新插入正極，銅和氮原子被還原。這種多電子轉移過程大大提高了電池的能量密度。

技術細節揭祕

研究團隊採用了水熱法合成Cu₃N材料，使用Cu₂O納米粉末和尿素作爲銅源和氮源。爲了獲得純相的Cu₃N，反應物的均勻混合和合適的洗滌過程至關重要。

電池的固體電解質採用了La₀.₉Ba₀.₁F₂.₉（簡稱LBF），通過機械化學法制備。測試電池在140°C的溫度下工作，電壓範圍從-1.5V到3.0V。

研究人員通過多種尖端技術表徵了材料的結構和性能，包括X射線衍射（XRD）、X射線吸收光譜（XAS）和共振非彈性X射線散射（RIXS）等。

驚人的能量密度

理論計算顯示，Cu₃N||LaF₃全固態氟離子電池的能量密度達到了615 Wh/kg（重量比）和2900 Wh/L（體積比），遠超傳統LiCoO₂||石墨鋰離子電池的488 Wh/kg和1300 Wh/L。

"這意味着，相同體積和重量的電池，我們的技術可以提供更多的能量，"張博士自豪地說，"電動車的續航里程理論上可以從600公里提升到1200公里！"

挑戰仍然存在

儘管取得了令人振奮的進展，但研究團隊坦誠，這項技術距離大規模商業應用還有一段距離。

首先，電池目前需要在較高溫度（140°C）下工作，這對實際應用是一個挑戰。其次，雖然Cu₃N顯示出良好的循環穩定性，但要達到商業電池需要的數千次循環壽命，還需要進一步優化。

研究團隊正在努力降低電池的工作溫度，並進一步提高其循環壽命，相信這些問題在未來幾年內可以得到解決。

豐田汽車公司的參與顯示了該技術的商業潛力，如果能夠成功商業化，續航超過1000公里的電動汽車將可能在幾年後上路，"里程焦慮"也將可能成爲歷史。

參考文獻：

1、Zhang D., Yamamoto K., et al. Cathode Design Based on Nitrogen Redox and Linear Coordination of Cu Center for All-solid-state Fluoride-Ion Batteries. ournal of the American Chemical Society 2025 147 (7), 5649-5657, DOI: 10.1021/jacs.4c12391

2、Zhang D., Yamamoto K., et al. Reversible and Fast (De)fluorination of High‐Capacity Cu2O Cathode: One Step Toward Practically Applicable All‐Solid‐State Fluoride‐Ion Battery. Adv. Energy Mater. 2021, 11(45), DOI: 10.1002/aenm.202102285