电动汽车和电网级储能对电池的需求正在上升，而电网级储能是地球摆脱化石燃料的必需品。但更多的电池意味着用于制造电池的危险材料也会更多：PFAS，也称为“永久化学物质”。

“为了满足我们社会对电动汽车和储能的需求，我们面临着更多的环境挑战，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）Neubauer Family分子工程助理教授Chibueze Amanchukwu表示。

图片来源：UChicago PME

PFAS是一类由数千种化学物质组成的化学物质，不仅存在于电池中，还存在于快餐包装纸、洗发水、消防泡沫和瑜伽裤等各种物品中。它们可以防止炒鸡蛋粘在锅上，防止雨水浸入夹克和油漆中，但它们的防水性使它们非常有用，但当它们进入水源时也很难去除。这为它们赢得了“永远的化学物质”的绰号。

尽管Amanchukwu和其他芝加哥大学PME研究团队正在研究提取技术，但以目前的技术，PFAS会永远留在水中。

一些PFAS与儿童发育迟缓、生育能力下降、癌症风险增加和免疫反应减弱有关。PFAS存在于水、空气、鱼类和土壤中，以及全球人类和动物的血液中。

“这就是我们作为一个社会所做的事情，”Amanchukwu表示。“我们制造出一种令人惊叹的材料或令人惊叹的设备，然后我们意识到它对环境不利，然后我们争先恐后地寻找替代它的方法。”

据外媒报道，UChicago PME的Amanchukwu实验室的研究团队设计了两类不含PFAS的新溶剂，它们将成为下一代电池的理想材料。他们的目标是领先于PFAS污染，为未来的研究人员提供一套安全而强大的化学品，供他们在设计电池时探索，将“永久化学品”变成“永不化学品”。

“我们需要下一代电池，但目前大多数研究都在使用PFAS，”博士生Peiyuan Ma说道。“这就是我们开始进行研究的原因，至少让人们有机会使用非PFAS材料。”

永远领先

PFAS在现代电池中只占很小的一部分。电池的正极，即阴极，使用少量的PFAS化学物质聚偏二氟乙烯作为粘合剂——一种将颗粒粘合在一起的胶水。与此同时，电池电解质使用氟化溶剂，但并非所有氟化化合物都是PFAS。

问题不在于当前电池中的电解质。而是未来的电池。

电池需求不断增长，需要更多更好的电池。Amanchukwu称当设计出现问题时，科学界的默认解决方案往往是求助于有用但危险的PFAS。

“我们对电池的要求越来越高。我们想要低温性能。我们想要高温性能。我们想要快速充电。我们想要锂金属电池。这些都是我们作为消费者所要求的，”Amanchukwu表示。“现在的科学文献正在说，‘哦，让我们在电解质中添加更多氟化成分。’几乎所有这些都将被视为PFAS。”

该团队最近的一篇论文发表在期刊《ACS Energy Letters》上，为锂离子电池创造了部分氟化的非PFAS溶剂。另一篇发表在《Journal of the Electrochemical Society》上的论文设计了完全非氟化的溶剂，用于目前正在探索作为锂离子的高能量替代品的锂金属电池。

“在我们的工作中，我们试图从根本上了解电池材料之间的相互作用。我们试图了解这些材料如何相互作用，以及为什么某些相互作用对于电池正常工作很重要，”Ma表示。“我们意识到，电池工作并不需要PFAS。”

让行业参与进来

为了让行业、学术界和国家实验室探索这一新的化学策略，该团队面临的挑战不仅是证明他们的新电解质系列将更安全。他们还必须证明他们的电解质性能与基于PFAS的电解质一样好甚至更好。

非氟化锂金属电池设计比基于氟化化合物的设计表现出更多的离子配对和更好的容量保持率，一些新材料系列也表现出更高的氧化稳定性。

与此同时，锂离子电池的设计显示出比市售电池更长的循环寿命和更好的倍率能力，而且它们可以在更广泛的温度范围内工作。它们在60到零下40摄氏度的温度下表现出稳定的循环。

改用部分氟化化合物也具有重大的环境效益。“当你有一个氟基团时，它们更容易降解，”Amanchukwu表示。

但也存在缺点。例如，部分氟化的电解质无法在电池负极上形成保护涂层。但通过添加添加剂（这些添加剂也不是PFAS），该团队能够规避这些问题，制造出低温循环和更快充电的电池。

有环境和科学依据支持从一开始就防止“永久化学物质”进入水中。但也有经济依据支持在问题出现之前就解决它。

“无论环保法规如何，将新材料推向市场通常都会有风险，”Amanchukwu表示。“但将新材料推向市场的风险更大，因为有可能10年或15年后有人会说‘这是非法的。你不能再生产这种材料了。’”