在最近发表的两篇论文中，芝加哥大学PME助理教授Chibueze Amanchukwu实验室的研究人员设计了两类不含PFAS的新型溶剂，它们是下一代电池的理想组成部分。
电动汽车和电网级储能对电池的需求不断增加，而这正是地球摆脱化石燃料所必需的。但更多电池将意味着更多的用于制造电池的危险材料——PFAS，它也被称为 “永久性化学品”。
“为了满足这个社会对电动汽车和储能的需求，我们正在面临更多的环境挑战。”芝加哥大学普利兹克分子工程学院Neubauer Family分子工程助理教授Amanchukwu 说，“这个困境显而易见。”
PFAS是一个由数千种化学物质组成的家族，不仅存在于电池中，还存在于从快餐包装纸和洗发水，乃至消防泡沫和瑜伽裤等各种物品中。
它们使炒鸡蛋不会粘在平底锅上，使雨水不会渗入夹克衫和油漆中，但当防水性使得它们更实用的同时，也使它们难以从水源中被清除。这让它们获得了“永久性化学品”的绰号。
尽管Amanchukwu和芝加哥大学PME的其他研究团队正在研究提取技术，但就目前的技术而言，PFAS将永远留在水中。
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，这些都与某些PFAS有关。在水、空气、鱼类和土壤中，以及全球人类和动物的血液中，都发现了 PFAS。
“这就是我们这个社会所做的一切，”Amanchukwu说，“我们制造出一种神奇的材料或神奇的设备，我们意识到它对环境不利，然后我们又争先恐后地寻找是否有替代品。”
Amanchukwu实验室希望让这一进程进入新篇章。在最近发表的两篇论文中，该团队设计了两类不含PFAS的新型溶剂，它们是下一代电池的理想组成部分。目标是赶在PFSA污染之前，为未来研究人员在设计电池时提供一套安全却功能强大的化学品，将“永久性化学品”变成“不复存在的化学品”。
“我们需要新一代电池，但目前的大部分研究都在使用 PFAS。”两篇论文的第一作者、24岁的Peiyuan Ma博士说，“这就是我们开始研究的原因，至少让人们有机会使用非PFAS材料。”
尽管目前的电池设计（如这款纽扣电池）只使用了极少量的PFAS，但在设计更大型的下一代电池技术时，行业趋势已经转变对有害的“永久化学品”的使用。
PFAS在现代电池中所占的比例相对较小。电池的正极（即阴极）使用少量名为聚偏氟乙烯的PFAS化学品作为粘合剂。同时，电池电解液使用含氟溶剂，但并非所有含氟化合物都是PFAS。
问题不在于当前电池中的电解液，而在于未来的电池。
电池需求不断增长，需要更多更好的电池。Amanchukwu说，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。我们需要低温性能。我们需要高温性能。我们需要快速充电。我们需要锂金属电池。这些都是我们作为消费者所要求的，”Amanchukwu说“科学文献现在所做的就是说，‘哦，让我们在电解液中添加更多的含氟成分'。几乎所有这些成分都将被视为PFAS。”
该团队最近发表在ACS Energy Letters上的一篇论文为锂离子电池设计了部分含氟的非PFAS溶剂。另一篇论文发表在Journal of the Electrochemical Society上，为目前正在探索中的锂离子电池高能替代品——锂金属电池设计了完全无氟的溶剂。
“在工作中我们试图从根本上理解电池材料之间的相互作用，我们试图理解它们如何相互作用，以及为什么有些相互作用对电池来说非常重要，”Peiyuan Ma说，“我们意识到要使电池正常工作，PFAS并非不可或缺。”
为了让工业界、学术界和国家实验室探索这种新的化学策略，该团队面临的挑战不仅是证明他们的新型电解质将更加安全。他们还必须证明其电解质的性能与基于PFAS的电解质一样好，甚至更好。
与基于含氟化合物的设计相比，无氟锂金属电池设计显示出更多的离子配对和更好的容量保持，一些其新材料类别还显示出更强的氧化稳定性。
与此同时，锂离子设计显示出比市售电池更长的循环寿命和更好的速率能力，而且它们能在更广的温度范围内——60摄氏度到零下40摄氏度之间都能稳定工作。
改用部分含氟化合物还具有重大的环境效益。“如果只有一个氟基团，它们就更容易降解。”Amanchukwu说。
但是，这一技术也存在缺点。例如，部分含氟的电解质无法在电池负极上形成保护层。但加入添加剂（也不含PFAS）后，研究小组就能规避这些问题，制造出低温循环和快速充电电池。
首先从环保和科学的角度来看，要阻止“永久性化学品”进入水体。而从经济角度来看，在问题开始之前就加以解决也是有道理的。
“不管环保法规如何，我们将新材料推向市场一般都要承担一定的风险。”Amanchukwu说，“但当10年或15年后，如果继续使用PFAS，有人可能会说‘这是非法的。你不能再制造这种材料了'，这样风险更大。”
