美國研發(fā)出鋰鐵氧化物充電電池

核心提示據(jù)外媒報(bào)道，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員與美國西北大學(xué)的沃爾弗頓小組開展合作，共同研發(fā)了鋰鐵氧化物充電電池。相較于常見的鈷酸鋰電池，其鋰離子的移動量更大，這是由于其電容量較大，從而延長電動車的續(xù)航時(shí)間。通過數(shù)值計(jì)算，沃爾弗頓與Yao發(fā)現(xiàn)了新配方，且該配方的化學(xué)反應(yīng)是可逆的。首先，研究團(tuán)隊(duì)用鐵元素替代鈷元素，因?yàn)殍F元素是化學(xué)周期表中價(jià)格最便宜的一款金屬元素。隨后，通過運(yùn)算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰、鐵及氧離子的正確平衡配比，使氧離子與鐵離子能同時(shí)推動可逆反應(yīng)，不會引起氧氣脫出。

據(jù)外媒報(bào)道，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的研究人員與美國西北大學(xué)的沃爾弗頓（Wolverton）小組開展合作，共同研發(fā)了鋰鐵氧化物充電電池（鋰離子鐵氧化物電池，rechargeable lithium-iron-oxide battery）。相較于常見的鈷酸鋰電池（鋰鈷氧化物充電電池，lithium-cobalt-oxide counterpart），其鋰離子的移動量更大，這是由于其電容量較大，從而延長電動車的續(xù)航時(shí)間。

該研究獲得了美國能源部旗下的能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）項(xiàng)目的支持，并將其研究結(jié)果發(fā)布到《自然能源（Nature Energy）》中，沃爾弗頓實(shí)驗(yàn)室博士生Zhenpeng Yao及阿貢實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Chun Zhan為該研究論文的第一作者（first authors）。沃爾弗頓與Yao負(fù)責(zé)計(jì)算研發(fā)，而阿貢實(shí)驗(yàn)室則負(fù)責(zé)該研究的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

在電池的充放電過程中，鋰離子會在陽極與陰極間的往復(fù)移動。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子回到陽極并存儲在該處。該電池的陰極則由復(fù)合物制成，其包含了鋰離子、過渡金屬（transition metal）及氧元素。

通常，過渡金屬則選用鈷，當(dāng)鋰離子從陽極與陰極往復(fù)移動時(shí)，可高效存儲并釋放電能。陰極的電容量受限于過渡金屬的電子數(shù)量，前者將參與電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。

鈷酸鋰電池已在市場上出售了20年，然而，經(jīng)常長期研究后，研究人員發(fā)現(xiàn)另一款價(jià)格相對便宜、電量更高的充電電池。沃爾弗頓實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在普通鈷酸鋰電池的基礎(chǔ)上提升其性能，主要運(yùn)用了以下兩種新策略用鐵元素替代鈷元素、迫使氧元素參與化學(xué)反應(yīng)。

若能存儲氧元素并釋放電能，電池電量自然就會提升，可存儲、利用更多的鋰離子。盡管其他研究團(tuán)隊(duì)也曾做過同類研究，但鮮有成功者。

通過數(shù)值計(jì)算，沃爾弗頓與Yao發(fā)現(xiàn)了新配方，且該配方的化學(xué)反應(yīng)是可逆的。首先，研究團(tuán)隊(duì)用鐵元素替代鈷元素，因?yàn)殍F元素是化學(xué)周期表中價(jià)格最便宜的一款金屬元素。隨后，通過運(yùn)算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰、鐵及氧離子的正確平衡配比，使氧離子與鐵離子能同時(shí)推動可逆反應(yīng)，不會引起氧氣脫出。

更重要的是，該款電池一開始就有4個(gè)鋰離子，而非1個(gè)，將提升電池的容量。而鐵與氧將驅(qū)動電池發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)四個(gè)鋰離子在電池陽極與陰極間的往復(fù)移動。

沃爾弗頓為此申請了一項(xiàng)專利。該團(tuán)隊(duì)接下來將采用其他復(fù)合物，嘗試該策略是否依然能奏效。（本文圖片選自techxplore.com）