電池利用鐵和氧來(lái)驅(qū)動(dòng)更多的鋰離子

在紙面上，似乎Christopher Wolverton的超級(jí)富鋰電池不應(yīng)該起作用。首先，這種新型電池使用鐵，這是一種廉價(jià)的金屬，在電池方面出了名的失敗。在另一個(gè)困難的壯舉中，電池利用氧氣來(lái)幫助驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，研究人員此前認(rèn)為這會(huì)導(dǎo)致電池變得不穩(wěn)定。

但是不僅電池工作，而且非常好。

西北大學(xué)沃爾弗頓研究小組與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作開(kāi)發(fā)出一種可充電鋰 -鐵氧化物電池，可以比普通的鋰 - 鈷 - 氧化物電池循環(huán)更多的鋰離子。

結(jié)果是更高容量的電池可以使智能手機(jī)和電池供電的汽車能夠持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

“我們對(duì)這種電池反應(yīng)的計(jì)算預(yù)測(cè)非常令人興奮，但如果沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，就會(huì)有很多懷疑論者，”西北麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Wolverton說(shuō)。“事實(shí)上它確實(shí)很有效。”

在美國(guó)能源部的能源前沿研究中心項(xiàng)目的支持下，該研究最近發(fā)表在Nature Energy上。Wolverton實(shí)驗(yàn)室的博士生Zhenpeng Yao和Argonne的博士后研究員Chun Zhan擔(dān)任該論文的第一作者。Wolverton和Yao領(lǐng)導(dǎo)了計(jì)算開(kāi)發(fā)，Argonne領(lǐng)導(dǎo)了該研究的實(shí)驗(yàn)部分。

鋰離子電池通過(guò)在陽(yáng)極和陰極之間來(lái)回穿梭鋰離子來(lái)工作。當(dāng)電池充電時(shí)，離子移回陽(yáng)極，在那里存儲(chǔ)它們。陰極由包含鋰離子，過(guò)渡金屬和氧的化合物制成。當(dāng)鋰離子從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極并返回時(shí)，過(guò)渡金屬(通常為鈷)有效地存儲(chǔ)和釋放電能。然后陰極的容量受到可參與反應(yīng)的過(guò)渡金屬中的電子數(shù)量的限制。

“在傳統(tǒng)的情況下，過(guò)渡金屬正在做出反應(yīng)，”Wolverton說(shuō)。“因?yàn)槊總€(gè)鈷只有一個(gè)鋰離子，所以可以存儲(chǔ)多少電荷。更糟糕的是，手機(jī)或筆記本電腦中的現(xiàn)有電池通常只使用陰極中鋰的一半。”

鋰鈷氧化物電池已經(jīng)上市20年，但研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找更便宜，更高容量的替代品。Wolverton的團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用兩種策略改進(jìn)了常見(jiàn)的鋰 - 鈷 - 氧化物電池：用鐵代替鈷，并迫使氧氣參與反應(yīng)過(guò)程。

如果氧氣也可以儲(chǔ)存和釋放電能，那么電池將具有更高的儲(chǔ)存和使用更多鋰的能力。雖然其他研究小組過(guò)去曾試圖采用這種策略，但很少有人認(rèn)為這種方法有效。

“以前的問(wèn)題是，如果你試圖讓氧氣參與反應(yīng)，那么化合物會(huì)變得不穩(wěn)定，”姚明說(shuō)。“氧氣會(huì)從電池中釋放出來(lái)，使反應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)。”

通過(guò)計(jì)算計(jì)算，Wolverton和Yao發(fā)現(xiàn)了一種可逆的工作方式。首先，他們用鐵代替鈷，這是有利的，因?yàn)樗窃刂芷诒碇凶畋阋说脑刂?。其次，通過(guò)使用計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)鋰，鐵和氧離子的正確平衡，使氧氣和鐵同時(shí)驅(qū)動(dòng)可逆反應(yīng)而不允許氧氣逸出。

“不僅電池具有有趣的化學(xué)成分，因?yàn)槲覀儚慕饘俸脱鯕庵蝎@取電子，但我們正在使用鐵，”Wolverton說(shuō)。“這有可能制造出更便宜的更好的電池。”

或許更重要的是，完全可充電的電池以四個(gè)鋰離子開(kāi)始，而不是一個(gè)。目前的反應(yīng)可以可逆地利用這些鋰離子中的一種，顯著增加了超出當(dāng)今電池的容量。但是通過(guò)使用鐵和氧來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)來(lái)回循環(huán)所有四個(gè)循環(huán)的潛力是誘人的。

“每種金屬都有四種鋰離子 - 這將改變一切，”Wolverton說(shuō)。“這意味著你的手機(jī)可以使用時(shí)間延長(zhǎng)8倍，或者你的車可以再駕駛8倍。如果電池驅(qū)動(dòng)的汽車在范圍和成本方面可以與汽油動(dòng)力汽車競(jìng)爭(zhēng)或超過(guò)汽油動(dòng)力汽車，那將改變世界。”

Wolverton已向Northwestern的創(chuàng)新和新風(fēng)險(xiǎn)辦公室提交了該電池的臨時(shí)專利。接下來(lái)，他和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃探索這種策略可行的其他化合物。